Способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2275701:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций" (ФГУП "ЭНИЦ") (RU)
Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для охлаждения имитаторов твэл в процессе работы их в составе сборки. Способ охлаждения тепловыделяющей сборки (ТВС) с имитаторами твэл заключается в передаче тепла теплопроводностью от имитаторов твэл к высокотеплопроводному блоку, через который пропущены имитаторы твэл, а от него путем подачи охлаждающего вещества в полость, размещенную по периметру высокотеплопроводного блока и охлаждения нижних частей токоподводов путем подачи охлаждающего вещества в емкость, в которой размещены нижние части токоподводов. Охлаждающее вещество подают в верхнюю или нижнюю полость емкости, соединенной соответственно с наружными или внутренними полостями токоподводов, выполненных в виде коаксиально установленных трубок, прокачивают охлаждающее вещество через нижнюю или верхнюю полость емкости и внутренние и наружные или наружные и внутренние полости токоподводов и нижнюю или верхнюю полость емкости и выводят охлаждающее вещество через нижнюю или верхнюю полость емкости. Устройство для охлаждения сборки с имитаторами твэл, содержащее нижний фланец корпуса ТВС с выходящими из него имитаторами твэл, включающими нижнюю часть имитаторов и нижнюю часть токоподводов, через гибкие токопроводящие элементы подсоединенных к общему токоподводу, причем нижние части имитаторов твэл размещены в блоке из высокотеплопроводного материала, по периметру которого выполнена полость, а нижние части токоподводов размещены в емкости. Емкость выполнена в виде, по крайней мере, двух разделенных герметичной перегородкой полостей, к которым подсоединены наружные и внутренние полости коаксиально выполненных токоподводов, электрически подсоединенных к корпусу емкости, и общего токоподвода, подсоединенного к корпусу емкости. Технический результат - повышение надежности тепловыделяющей сборки. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для охлаждения имитаторов твэл в процессе работы их в составе сборки. Имитаторы твэл используются в качестве модельных элементов при исследовании температурных режимов тепловыделяющих элементов при различных режимах работы реактора, в том числе и аварийных.
Имитатор твэл (фиг.1) состоит из корпуса имитатора - оболочки 1, выполняемого из нержавеющей стали и служащего для размещения внутри него нагревательного элемента 2 в виде проволоки или стержня, по которому пропускают ток от источника тока. В качестве материала нагревательного элемента используют нихром, сталь и т.п. Нагревательный элемент установлен в верхний токоподводящий узел 7, который выполнен заодно с корпусом имитатора, нижний токоподвод 6 подсоединен к нагревательному элементу. Между корпусом имитатора твэл и нагревательным элементом размещен электроизолирующий материал 3. В качестве последнего используют, как правило, порошок (наполнитель) MgO - периклаз. Выход нагревательного элемента из корпуса осуществляется через узел герметизации 5. Внутри оболочки установлены термопары 4, горячие спаи которых касаются вогнутой поверхности оболочки, а удлинительные провода выходят через узел герметизации (фиг.1).
Имитаторы твэл используются, как правило, в составе сборок. Число имитаторов в сборке в зависимости от решаемой задачи может быть различным и лежит в пределах от 3 до 400.
Одной из причин выхода имитаторов из строя является перегрев нижней части имитаторов и токоподводов, выходящих из фланцевого соединения и находящихся на воздухе (фиг.2). В зависимости от проходящего через имитаторы тока и электрического сопротивления нижней части имитаторов и токоподводов (фиг.2) в них выделяется то или иное количество тепла. При невысоких плотностях теплового потока и, соответственно, невысокого тока, проходящего через имитаторы, отвод тепла от имитаторов возможен с помощью естественной циркуляции воздуха, возникающей за счет разности температур имитаторов и окружающего воздуха. В противном случае, т.е. при больших токах, проходящих через имитаторы, необходимо их принудительное охлаждение.
Известно устройство для охлаждения имитаторов твэл, содержащее герметичную полость в нижней части токоподводов имитаторов, в которую подается охлаждающая жидкость (Majed M., Norback G., Wiman P. Experience Using Individually Supplied Heater Rods in Critical Power Testing of Advanced BWR Fuel/ NURETH-7, 1995).
Основной недостаток устройства заключается в том, что не удается снять тепло, выделяемое в нижних частях имитаторов. Это связано с тем, что выполнение полостей и подача охлаждающей жидкости в имитатор недопустимы. Попадание жидкости в имитатор и взаимодействие ее с электроизолятором приводит к уменьшению электросопротивления, замыканию на оболочку и выходу имитатора из строя. Снятие тепла с нижней части имитаторов происходит только за счет передачи тепла теплопроводностью от охлаждаемых нижних частей токоподводов. При больших токах, проходящих через имитатор, тепло, отводимое за счет теплопроводности, составляет небольшую часть от тепла, выделяемого в нижней части имитаторов. Основная часть тепла идет на разогрев имитатора, повышение температуры внутреннего электрода до недопустимых величин и выходу из строя имитатора. Кроме того, конструктивно выполнение устройства довольно сложно и возможно только в сборках с небольшим количеством имитаторов (3-19).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл, заключающийся в передаче тепла теплопроводностью от имитаторов твэл к высокотеплопроводному блоку, через который пропущены имитаторы твэл, а от него путем подачи охлаждающего вещества в полость, размещенную по периметру высокотеплопроводного блока и охлаждения нижних частей токоподводов путем подачи охлаждающего вещества в емкость, в которой размещены нижние части токоподводов (Патент РФ № 2193244 Способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл и устройство для его осуществления, БИ № 32, 2002).
Основной недостаток способа в том, что при повышении мощности сборки тепло, выделяемое в нижней части имитаторов и токоподводов, также увеличивается и, соответственно, увеличивается тепло, выделяемое в неохлаждаемой части имитаторов (между высокотеплопроводным блоком и крышкой емкости). В этом случае охлаждение за счет обдува воздухом недостаточно. Происходит перегрев имитаторов и выход их из строя.
Второй недостаток способа заключается в том, что охлаждение нижних частей токоподводов путем подачи охлаждающего вещества в емкость сложно и ненадежно. При разгерметизации емкости происходит попадание влаги в периклаз, замыкание внутреннего электрода на оболочку и выход имитаторов из строя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для охлаждения имитаторов является устройство, содержащее нижний фланец корпуса ТВС с выходящими из него имитаторами твэл, включающими нижнюю часть имитаторов и нижнюю часть токоподводов, через гибкие токопроводящие элементы подсоединенных к общему токоподводу, причем нижние части имитаторов твэл размещены в блоке из высокотеплопроводного материала, по периметру которого выполнена полость, а нижние части токоподводов размещены в емкости (Патент РФ № 2193244 Способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл и устройство для его осуществления, БИ № 32, 2002).
Основной недостаток устройства заключается в том, что при повышении мощности сборки тепло, выделяемое в нижней части имитаторов и токоподводов, увеличивается и, соответственно, увеличивается тепло, выделяемое в неохлаждаемой части имитаторов (между высокотеплопроводным блоком и крышкой емкости). В этом случае охлаждение за счет обдува воздухом недостаточно. Происходит перегрев имитаторов и выход их из строя.
Второй недостаток устройства заключается в том, что охлаждение нижних частей токоподводов путем подачи охлаждающего вещества в емкость сложно и ненадежно. При разгерметизации емкости происходит попадание влаги в периклаз, замыкание внутреннего электрода на оболочку и выход имитаторов из строя.
Технический результат предлагаемого изобретения - способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл, направленный на повышение надежности тепловыделяющей сборки, заключается в том, что охлаждающее вещество подают в верхнюю или нижнюю полость емкости, соединенной соответственно с наружными или внутренними полостями токоподводов, выполненных в виде коаксиально установленных трубок, прокачивают охлаждающее вещество через нижнюю или верхнюю полость емкости и внутренние и наружные или наружные и внутренние полости токоподводов и нижнюю или верхнюю полость емкости и выводят охлаждающее вещество через нижнюю или верхнюю полость емкости.
Достижение технического результата, заключающегося в повышение надежности тепловыделяющей сборки, обеспечивается за счет охлаждения той части имитаторов, размещенных между высокотеплопроводным блоком и крышкой емкости, которая ранее не охлаждалась.
Технический результат предлагаемого изобретения - устройство для охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл, направленный на повышение надежности тепловыделяющей сборки, заключается в том, что емкость выполнена в виде, по крайней мере, двух разделенных герметичной перегородкой полостей, к одной из полостей подсоединены наружные или внутренние полости коаксиально выполненных токоподводов, а к другой соответственно подсоединены внутренние или наружные полости коаксиально выполненных токоподводов электрически подсоединенных к корпусу емкости и общего токоподвода, подсоединенного к корпусу емкости.
Достижение технического результата, заключающегося в повышение надежности тепловыделяющей сборки, обеспечивается тем, что в емкости исключаются уплотнения и, следовательно, разгерметизация емкости и попадание влаги в периклаз исключены.
На фиг.2 представлена схема устройства для осуществления способа охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл, включающая его основные элементы и элементы, подлежащие охлаждению.
Устройство включает в себя следующие элементы:
8 - нижний фланец корпуса ТВС
9 - имитаторы твэл
10 - устройство для охлаждения нижней части имитаторов - высокотеплопроводный блок
11 - нижняя часть имитаторов твэл - безтермопарных (138 шт.)
12 - нижняя часть имитаторов твэл - термопарных (30 шт.)
13 - нижняя часть токоподводов имитаторов твэл - безтермопарных (138 шт.)
14 - нижняя часть имитаторов твэл - термопарных (30 шт.)
15 - общий токоподвод
16 - верхняя полость емкости
17 - нижняя полость емкости
18 - устройство для охлаждения нижней части токоподводов (емкость)
19 - внутренняя трубка - токоподвод (168 шт.) коаксиально установленная в наружной трубке
20 - наружная трубка - токоподвод (168 шт.)
21 - входные элементы устройства для охлаждения нижней части имитаторов
22 - входные элементы устройства для охлаждения нижней части токоподводов
23 - выходные элементы устройства для охлаждения нижней части имитаторов
24 - выходные элементы устройства для охлаждения нижней части токоподводов
25 - теплообменник
26 - насос
27 - термопары
28 - регулирующий вентиль
29 - изолирующие втулки
30 - "воздушник"
31 - токоподвод
32 - источник питания
33 - потенциальные выводы
Система охлаждения работает следующим образом.
Запуск системы.
Перед началом работы система заполняется водой. Заполнение системы водой производится путем подсоединения входных и выходных устройств 21, 22, 23, 24 (фиг.2) к источникам охлаждающей воды. Проверка заполнения осуществляется путем продувки "воздушника" 30 (фиг.2), установленного в верхней части системы охлаждения. Заполнение системы проходит до тех пор, пока из "воздушника" не появится вода. После этого "воздушник" перекрывается. Система готова к работе.
Рассмотрим работу системы при одном из возможных путей прохождения охлаждающей жидкости.
Как показано на фиг.2, охлаждающая жидкость (вода) входит в нижнюю полость емкости, далее во внутренние полости коаксиально выполненных токоподводов (во внутренние трубки). Вода, пройдя по внутренним трубкам и отразившись от торцов нижних токоподводов и пройдя через отверстия в верхней части внутренних трубок, проходит в наружные полости токоподводов (кольцевые зазоры), опускается по кольцевым зазорам (наружным полостям токоподводов) токоподводов, выходит в верхнюю полость емкости и далее на вход теплообменника, где охлаждается и поступает на вход насоса. Часть воды с выхода насоса идет на вход в устройство для охлаждения нижней части имитаторов.
Другой возможный путь прохождения воды может быть организован следующим образом. Вода входит в верхнюю полость емкости, далее в наружные полости коаксиально выполненных токоподводов (наружные трубки). Вода, пройдя по наружным трубкам и и пройдя через отверстия в верхней части внутренних трубок, проходит во внутренние полости токоподводов (внутренние трубки), опускается по трубкам, выходит в нижнюю полость емкости и далее на вход теплообменника, где охлаждается и поступает на вход насоса.
Работа системы заключается в создании циркуляции воды по замкнутым контурам и отводе тепла от токоподводов. Контроль за работой системы осуществляется путем измерения температуры воды на выходе из системы охлаждения с помощью термопар погружного типа. Температура воды на выходе из системы охлаждения должна быть меньше температуры насыщения при рабочем давлении. Температура воды на входе в систему охлаждения должна быть не выше 30-50°С.
В качестве примера рассмотрим систему охлаждения тепловыделяющей сборки мощностью 15 МВт с имитаторами косвенного нагрева.
Основные параметры.
1. Номинальный ток через один имитатор - 600 А.
2. Напряжение источника тока - до 150 В.
3. Суммарное тепловыделение в медных токоподводах и нижних частях имитаторов - до 48 кВт.
4. Тепло, выделяемое в нижней части имитаторов (от места выхода имитаторов из нижней крышки корпуса рабочего участка до выхода термопар из оболочки) (фиг.2), - 17,7 кВт.
5. Тепло, выделяемое в средней части токоподводов (место размещения термопар - выход и подсоединение) (фиг.2), - 3,55 кВт.
6. Тепло, выделяемое в нижней части (медные токоподводы имитаторов, общий токоподвод) (фиг.2), - 26,6 кВт.
7. Число имитаторов в сборке - 168.
Расход воды, подаваемой на вход щели высокотеплопроводного блока, 3000 кг/ч, температура на входе 25°С, на выходе 30°С. Измерение показали, что при максимальной мощности температура оболочек имитаторов не превышала 150°С.
Расход воды, подаваемой на вход емкости, в которую помещались имитаторы, не превышал 3200 кг/ч, температура подаваемой воды не превышала 25°С. На выходе температура воды колебалась в пределах 75-80°С. Температура токоподводов не превышала 100°С.
Температура коаксиально выполненных токоподводов между высокотеплопроводным блоком и емкостью не превышала 180°С. Оценки дают, что с помощью системы охлаждения, представленной в (Патент РФ № 2193244 Способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл и устройство для его осуществления, БИ № 32, 2002), не удастся от токоподводов, размещенных на воздухе (не охлаждаемых), отвести выделяемое в них тепло. Последнее приведет к перегреву медных токоподводов имитаторов и выходу их из строя.
В предлагаемой системе охлаждения неохлаждаемые участки токоподводов практически отсутствуют.
Таким образом, предлагаемый способ охлаждения тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл позволяет повысить надежность и работоспособность тепловыделяющей сборки с имитаторами твэл за счет улучшения охлаждения имитаторов и токоподводов и исключения попадания влаги в периклаз.
1. Способ охлаждения тепловыделяющей сборки (ТВС) с имитаторами твэл, заключающийся в передаче тепла теплопроводностью от имитаторов твэл к высокотеплопроводному блоку, через который пропущены имитаторы твэл, а от него путем подачи охлаждающего вещества в полость, размещенную по периметру высокотеплопроводного блока, и охлаждения нижних частей токоподводов путем подачи охлаждающего вещества в емкость, в которой размещены нижние части токоподводов, отличающийся тем, что охлаждающее вещество подают в верхнюю или нижнюю полость емкости, соединенной соответственно с наружными или внутренними полостями токоподводов, выполненных в виде коаксиально установленных трубок, прокачивают охлаждающее вещество через нижнюю или верхнюю полость емкости и внутренние и наружные или наружные и внутренние полости токоподводов и нижнюю или верхнюю полость емкости и выводят охлаждающее вещество через нижнюю или верхнюю полость емкости.
2. Устройство для охлаждения сборки с имитаторами твэл, содержащее нижний фланец корпуса ТВС с выходящими из него имитаторами твэл, включающими нижнюю часть имитаторов и нижнюю часть токоподводов, через гибкие токопроводящие элементы подсоединенных к общему токоподводу, причем нижние части имитаторов твэл размещены в блоке из высокотеплопроводного материала, по периметру которого выполнена полость, а нижние части токоподводов размещены в емкости, отличающееся тем, что емкость выполнена в виде, по крайней мере, двух разделенных герметичной перегородкой полостей, к одной из полостей подсоединены наружные или внутренние полости коаксиально выполненных токоподводов, а к другой соответственно подсоединены внутренние или наружные полости коаксиально выполненных токоподводов, электрически подсоединенных к корпусу емкости, и общего токоподвода, подсоединенного к корпусу емкости.
