Тепловыделяющая сборка и вставной дистанционирующий элемент

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в конструкциях тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, особенно в реакторах PWR и BWR. Тепловыделяющая сборка содержит дистанционирующие решетки, включающие ячейки, образованные перпендикулярными пересекающимися пластинами. В ячейке установлен вставной дистанционирующий элемент с замкнутым контуром, предназначенный для фиксации тепловыделяющего элемента, проходящего через ячейку. В дистанционирующих решетках, расположенных между первой и последней по ходу потока теплоносителя, по меньшей мере, часть ячеек, через которые проходят тепловыделяющие элементы, снабжена дефлекторами, предназначенными для перемешивания потока теплоносителя. Вставной дистанционирующий элемент содержит обечайку, которая имеет в поперечном сечении форму восьмигранника, образованного четырьмя выпуклыми в направлении от центра упомянутого элемента и скругленными гранями, между которыми расположены четыре вогнутые в направлении центра упомянутого элемента профилированные грани. Вогнутые грани имеют в центральной части прямолинейный участок. В результате повышается жесткость ячеек, а также снижается гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя. 2 н. и 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в конструкциях тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, сформированных из пучка тепловыделяющих элементов, которые дистанционированы и зафиксированы в дистанционирующих решетках, особенно в тепловыделяющих сборках реакторов PWR и BWR, в которых тепловыделяющие элементы установлены по квадратной сетке.

Уровень техники

Для обеспечения в течение всего срока эксплуатации тепловыделяющей сборки требуемого шага дистанционирования тепловыделяющих элементов используются дистанционирующие решетки, которые также фиксируют тепловыделяющие элементы в поджатом состоянии для исключения процесса фреттинг-износа материалов оболочек тепловыделяющих элементов. Ячейки дистанционирующих решеток могут быть образованы, в частности, перпендикулярными пересекающими пластинами или путем штамповки из трубных заготовок и соединения их между собой и охватывающим ободом посредством сварки или пайки.

Для исключения поперечных перетоков между тепловыделяющими сборками их дистанционирующие решетки должны иметь близкие гидравлические характеристики и располагаться они должны на одинаковых уровнях.

Для исключения зацепления дистанционирующих решеток соседних тепловыделяющих сборок при перегрузках их обода снабжают заходными кромками.

Жесткость на поворот направляющих каналов зависит от конфигурации ячеек дистанционирующих решеток.

Требование по собираемости тепловыделяющих элементов, а также по свободному извлечению тепловыделяющих элементов при ремонте тепловыделяющей сборки вызывает необходимость использовать податливые ячейки. В то же время для обеспечения заданной жесткости на поворот нужны жесткие ячейки.

Кроме того, в конструкциях дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок следует предусмотреть элементы, выполняющие функцию перемешивания теплоносителя.

Известна тепловыделяющая сборка, включающая дистанционирующие решетки, содержащие ячейки, образованные перпендикулярными пересекающимися полосами, и завихрители потока теплоносителя (US 5365557, G21С 3/322, 15.11.1994). В данной конструкции в полосах выполнены фигурные вырезы, которые скручены различным образом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является тепловыделяющая сборка, содержащая дистанционирующие решетки, расположенные по длине сборки по ходу потока теплоносителя и включающие ячейки, образованные перпендикулярными пересекающимися пластинами, причем в каждой ячейке, через которую проходит тепловыделяющий элемент, установлен вставной дистанционирующий элемент, охватывающий тепловыделяющий элемент и предназначенный для фиксации тепловыделяющего элемента, проходящего через ячейку (ЕР 01925346, G21С 3/34, 31.01.1986).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является также вставной дистанционирующий элемент, содержащий обечайку, имеющую в поперечном сечении форму восьмигранника, образованного четырьмя выпуклыми в направлении от центра упомянутого элемента и скругленными гранями, между которыми расположены четыре вогнутые в направлении центра упомянутого элемента профилированные грани, причем выпуклые грани предназначены для соединения с ячейкой дистанционирующей решетки, а вогнутые грани - для фиксации тепловыделяющего элемента (ЕР 1679722, G21С 3/344, 07.12.2006).

В известной тепловыделяющей сборке вставной дистанционирующий элемента выполнен в виде профилированной обечайки, достаточно надежно удерживающей тепловыделяющий элемент.

Однако выпуклые поверхности известного вставного элемента представляют собой практически ребра жесткости, не позволяющие осуществлять сборку пучка тепловыделяющих элементов с натягом между вставным элементом и тепловыделяющим элементом, что необходимо для обеспечения гарантированного контакта тепловыделяющего элемента с дистанционирующим вставным элементом (для исключения вибраций);

- в отличие от выпуклой плоская поверхность вставного элемента обеспечивает пружинные свойства вставного элемента, позволяющие компенсировать отклонения геометрических размеров, перекос осей твэла и вставного элемента и сохранить приемлемые усилия прохождения твэла через дистанционирующую решетку при сборке с натягом;

- наличие пластин, соединяющих вставной дистанционирующий элемент с углами ячейки, с одной стороны, увеличивает жесткость ячейки в целом, а, с другой стороны, повышает гидравлическое сопротивление ячейки за счет образования вихрей потока теплоносителя по его ходу на нижней пластине и затем на верхней пластине;

- дистанционирование тепловыделяющего элемента посредством выполнения прорезей или вырезов в обечайке приводит к образованию упругих элементов, не обладающих достаточной жесткостью, что позволяет продольной оси тепловыделяющего элемента во время его эксплуатации смещаться относительно продольной оси ячейки, а следовательно, приводит к искривлению тепловыделяющего элемента;

- наличие «косвенных» завихрителей потока теплоносителя в виде соединительных пластин и упругих элементов, фиксирующих тепловыделяющий элемент незначительно перемешивает поток теплоносителя лишь вдоль тепловыделяющего элемента, практически исключая массообмен потока теплоносителя между соседними ячейками.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание тепловыделяющей сборки и дистанционирующего вставного элемента (вкладыша), обладающих улучшенными характеристиками.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что повышается жесткость ячеек в целом при одновременном снижении величины искривления тепловыделяющих элементов вдоль длины тепловыделяющей сборки, а также снижается гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя при одновременном повышении степени перемешивания потока теплоносителя между соседними ячейками в тепловыделяющей сборке, снижается контактное давление на поверхность тепловыделяющего элемента и соответственно фреттинг-износ тепловыделяющих элементов.

Данные технические результаты достигаются тем, что в тепловыделяющей сборке, содержащей дистанционирующие решетки, расположенные по длине сборки по ходу потока теплоносителя и включающие ячейки, образованные перпендикулярными пересекающимися пластинами, причем в каждой ячейке, через которую проходит тепловыделяющий элемент, установлен вставной дистанционирующий элемент, охватывающий тепловыделяющий элемент и предназначенный для фиксации тепловыделяющего элемента, проходящего через ячейку, в дистанционирующих решетках, расположенных между первой и последней по ходу потока теплоносителя, по меньшей мере, часть ячеек, через которые проходят тепловыделяющие элементы, снабжена дефлекторами, предназначенными для перемешивания потока теплоносителя.

Отличительная особенность настоящего изобретения заключается в том, что в дистанционирующих решетках, расположенных между первой и последней по ходу потока теплоносителя, по меньшей мере, часть ячеек, через которые проходят тепловыделяющие элементы, снабжена дефлекторами, предназначенными для перемешивания потока теплоносителя. В результате при снижении гидравлического сопротивления имеет место повышение степени перемешивания потока теплоносителя вдоль длины тепловыделяющей сборки. Снижение гидравлического сопротивления тепловыделяющей сборки обусловлено тем, что дефлекторы, предназначенные для перемешивания потока теплоносителя установлены не на всех дистанционирующих решетках, а только на тех, которые расположены между торцевыми дистанционирующими решетками, т.е. на решетках, расположенных между первой и последней по ходу потока теплоносителя. Действительно, эпюра (распределение) энерговыделения по ходу потока теплоносителя (т.е. по высоте активной зоны) такова, что минимальные значения энерговыделения имеются в нижней и верхних областях активной зоны, что обуславливает, естественно, минимальный подогрев теплоносителя в данных областях. Поэтому согласно настоящего изобретения необходимо снабдить дефлекторами только упомянутые дистанционирующие решетки.

Кроме того, предпочтительно дефлекторы выполнить на пересекающихся пластинах в виде отогнутых лопаток.

Целесообразно длину ячейки в направлении ее продольной оси выбрать от 15 мм до 60 мм.

Целесообразно также размер вставного дистанционирующего элемента в направлении длины ячейки выбрать в диапазоне от 5 мм до 20 мм.

Целесообразно вставной дистанционирующий элемент выполнить с замкнутым контуром, в частности посредством штамповки из трубной заготовки.

Вышеуказанные положительные результаты достигаются также за счет того, что во вставном дистанционирующем элементе, содержащем обечайку, имеющую в поперечном сечении форму восьмигранника, образованного четырьмя выпуклыми в направлении от центра упомянутого элемента и скругленными гранями, между которыми расположены четыре вогнутые в направлении центра упомянутого элемента профилированные грани, причем выпуклые грани предназначены для соединения с ячейкой дистанционирующей решетки, а вогнутые грани - для фиксации тепловыделяющего элемента, вогнутые грани имеют в центральной части прямолинейный участок.

Отличительная особенность настоящего изобретения в части, касающейся вставного дистанционирующего элемента (вкладыша), состоит в том, что вогнутые грани имеют в центральной части прямолинейный участок.

В результате в дистанционирующем элементе по настоящему изобретению обеспечиваются следующие преимущества перед известным вставным элементом:

- по сравнению с выпуклыми в направлении оси тепловыделяющего элемента поверхностями плоские грани вставного элемента в области контакта с тепловыделяющим элементом создают в несколько раз меньшее контактное давление, что снижает риск чрезмерного повреждения поверхности тепловыделяющего элемента и снижает вероятность и скорость фреттинг-износа при эксплуатации;

- в отличие от выпуклой плоская поверхность вставного элемента обеспечивает пружинные свойства вставного элемента, позволяющие компенсировать отклонения геометрических размеров, перекос осей тепловыделяющего элемента и вставного элемента и сохранить приемлемые усилия прохождения тепловыделяющего элемента через дистанционирующую решетку при сборке с натягом.

Кроме того, радиус скругления выпуклых граней составляет от 8,5 мм до 11 мм.

Прямолинейный участок предпочтительно выполнить длиной от 0,5 мм до 1,1 мм.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 показана тепловыделяющая сборка, на фиг.2 показан фрагмент дистанционирующей решетки, состоящий из 9 ячеек, на фиг.3 показана одна ячейка (увеличено), на фиг.4 изображено поперечное сечение вставного дистанционирующего элемента (увеличено), на фиг.5 приведен фрагмент пластины (полосы) с вырезами, на фиг.6 приведен фрагмент пластины (полосы, которая перпендикулярна полосе на фиг.5), на фиг.7 показан узел взаимного пересечения по вырезам пластин (полос), образующих ячейки.

Наилучший вариант раскрытия изобретения

Тепловыделяющая сборка 1 содержит дистанционирующие решетки 2, расположенные по длине сборки 1 по ходу потока теплоносителя. Дистанционирующие решетки 2 включают ячейки 3, образованные перпендикулярными пересекающимися пластинами 4. В каждой ячейке 3, через которую проходит тепловыделяющий элемент 5, установлен вставной дистанционирующий элемент 6, охватывающий тепловыделяющий элемент 5 и предназначенный для фиксации тепловыделяющего элемента 5, проходящего через ячейку 3. В дистанционирующих решетках, расположенных между первой 7 и последней 8 по ходу потока теплоносителя, по меньшей мере, часть ячеек 3, через которые проходят тепловыделяющие элементы 5, снабжена дефлекторами 9, предназначенными для перемешивания потока теплоносителя. Дефлекторы 9 выполнены на пересекающихся пластинах 4 в виде отогнутых лопаток 10. Длина L ячейки 3 в направлении ее продольной оси выбрана от 15 мм до 60 мм. Размер вставного дистанционирующего элемента 6 в направлении длины L ячейки составляет от 5 мм до 20 мм. Вставной дистанционирующий элемент 6 имеет замкнутый контур и может быть выполнен посредством штамповки из трубной заготовки. Вставной дистанционирующий элемент 6 содержит обечайку 11, которая имеет в поперечном сечении форму восьмигранника, образованного четырьмя выпуклыми в направлении от центра упомянутого элемента и скругленными гранями 12, между которыми расположены четыре вогнутые в направлении центра упомянутого элемента профилированные грани 13. Выпуклые грани 12 предназначены для соединения с ячейкой дистанционирующей решетки, а вогнутые грани 13 - для фиксации тепловыделяющего элемента. Радиус R скругления выпуклых граней составляет от 8,5 мм до 11 мм. Вогнутые грани 13 имеют в центральной части прямолинейный участок 14, длина h которого составляет от 0,5 мм до 1,1 мм. Ячейки 3 сформированы путем взаимного размещения пластин 4 (полос) в прорезях 15. Для этого длина полос должна быть не менее половины ширины полосы. На перпендикулярно расположенных пластинах 4 (полосах) прорези 15 ориентированы в противоположных направлениях. Тепловыделяющая сборка содержит также головку 16, хвостовик 17, центральную трубку 18 и направляющие каналы 19.

Тепловыделяющая сборка функционирует следующим образом. Теплоноситель проходит через ячейки 3 и омывает поверхности тепловыделяющих элементов 5, расположенных в ячейках. На выходе из ячейки 3 теплоноситель взаимодействует с лопатками 10, что приводит к его перемешиванию и соответственно к выравниванию его температуры по сечению тепловыделяющей сборки.

Тепловыделяющая сборка и вставной дистанционирующий элемент (вкладыш) по настоящему изобретению могут быть изготовлены любым известным образом с использованием стандартной технологии и оборудования и не требуют создания принципиально новой оснастки.

1. Тепловыделяющая сборка, содержащая дистанционирующие решетки, расположенные по длине сборки по ходу потока теплоносителя, и включающие ячейки, образованные перпендикулярными пересекающимися пластинами, причем в каждой ячейке, через которую проходит тепловыделяющий элемент, установлен вставной дистанционирующий элемент, охватывающий тепловыделяющий элемент и предназначенный для фиксации тепловыделяющего элемента, проходящего через ячейку, отличающаяся тем, что в дистанционирующих решетках, расположенных между первой и последней по ходу потока теплоносителя, по меньшей мере, часть ячеек, через которые проходят тепловыделяющие элементы, снабжена дефлекторами, предназначенными для перемешивания потока теплоносителя.

2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что дефлекторы выполнены на пересекающихся пластинах.

3. Сборка по п.2, отличающаяся тем, что дефлекторы выполнены в виде отогнутых лопаток.

4. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что длина ячейки в направлении ее продольной оси выбрана от 15 до 60 мм.

5. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что размер вставного дистанционирующего элемента в направлении длины ячейки составляет от 5 до 20 мм.

6. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что вставной дистанционирующий элемент имеет замкнутый контур.

7. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что вставной дистанционирующий элемент выполнен посредством штамповки из трубной заготовки.

8. Вставной дистанционирующий элемент, содержащий обечайку, имеющую в поперечном сечении форму восьмигранника, образованного четырьмя выпуклыми в направлении от центра упомянутого элемента и скругленными гранями, между которыми расположены четыре вогнутые в направлении центра упомянутого элемента профилированные грани, причем выпуклые грани предназначены для соединения с ячейкой дистанционирующей решетки, а вогнутые грани - для фиксации тепловыделяющего элемента, отличающийся тем, что вогнутые грани имеют в центральной части прямолинейный участок.

9. Элемент по п.8, отличающийся тем, что радиус скругления выпуклых граней составляет от 8,5 до 11 мм.

10. Элемент по п.8, отличающийся тем, что длина упомянутого прямолинейного участка составляет от 0,5 до 1,1 мм.

11. Элемент по п.8, отличающийся тем, что его длина в направлении продольной оси составляет от 5 до 20 мм.

12. Элемент по п.8, отличающийся тем, что он имеет замкнутый контур.

13. Элемент по п.8, отличающийся тем, что вставной дистанционирующий элемент выполнен посредством штамповки из трубной заготовки.