Опорная решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора
Владельцы патента RU 2389090:
Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" (RU)
Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к элементам ТВС (тепловыделяющей сборки), используемых преимущественно для реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-100. Опорная решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора выполнена в виде плиты с круглыми отверстиями для протока теплоносителя и круглыми отверстиями для установки ТВЭЛов, центральной трубы, а также несущих труб или направляющих каналов, при этом отверстия для протока теплоносителя расположены равномерно по шесть штук вокруг каждого из отверстий для установки ТВЭЛов, центральной трубы, а также несущих труб или направляющих каналов. Отверстия для протока теплоносителя выполнены двух различных диаметров и расположены вокруг каждого их указанных отверстий с чередованием отверстий двух диаметров. Изобретение направлено на повышение жесткости, прочности и технологичности решетки. 2 з.п.ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к элементам ТВС (тепловыделяющей сборки), используемых преимущественно для реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000.
Из уровня техники известна опорная решетка ВВЭР-440, например 445.20.030-04, имеющая 102 отверстия в форме «гантели» для протока теплоносителя, 12 отверстий диаметром 5,9 min и 24 полуотверстия по контуру опорной решетки для протока теплоносителя. Отверстия типа «гантель» образованы двумя отверстиями радиусом 2,95 min, соединенным отверстием, шириной 5 min. Отверстия для установки ТВЭЛов и центральной трубы имеют диаметр 5+0,1, причем по контуру каждой грани шестигранной опорной решетки расположены по семь отверстий для нижних заглушек ТВЭЛов (см. Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990., с.31-35) [1]. В опорной решетке РК-3 ВВЭР-440 часть отверстий под ТВЭЛы используются для установки несущих труб.
Недостатком аналога является возникающая анизотропия конструкции опорной решетки, вызванная формой и расположением отверстий для протока теплоносителя относительно продольной оси ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов), снижающая ее прочность и жесткость; существенное отличие конфигурации отверстий для прохода теплоносителя от элементарной ячейки пучка ТВЭЛов, несимметричное их расположение относительно оси ТВЭЛа, вызывающее возмущение потока теплоносителя при выходе его из опорной решетки в межтвэльное пространство; использование низкопроизводительной технологии фрезерования для выполнения отверстий для протока теплоносителей.
Из уровня техники известна опорная решетка для тепловыделяющей сборки ядерного реактора, выполненная в виде перфорированной пластины, имеющей круглые отверстия, по меньшей мере, часть которых предназначена для установки в них наконечников ТВЭЛов, и отверстия, предназначенные для прохода теплоносителя, имеющие форму шестиугольника, каждая из трех сторон которого, обращенных к таким же отверстиям, параллельна линии, соединяющей центры соседних цилиндрических отверстий, а каждая из трех других сторон, обращенных к цилиндрическим отверстиям, образована дугой окружности, концентричной соседнему круглому отверстию, при этом отверстия для прохода теплоносителя равномерно расположены вокруг цилиндрических отверстий (см. RU 2308775 С1, 20.10.2007 [2]).
Недостатками аналога является сложная форма отверстий для протока теплоносителя и, как следствие, высокая трудоемкость при изготовлении решетки путем использования операции фрезерования.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является опорная решетка ТВС, в которой отверстия для протока теплоносителя выполнены цилиндрической формы, расположенными симметрично относительно отверстий под нижние заглушки ТВЭЛов и трубчатых каналов в количестве шести штук вокруг каждого из них, при этом по периферии каждой грани шестигранной нижней опорной решетки расположены по одиннадцать отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов, образующих перпендикулярно с противоположной гранью шестигранной нижней опорной решетки параллельные между собой ряды чередующихся отверстий для нижних заглушек тепловыделяющих элементов и спаренных через перемычку оснований круглых отверстий для протока теплоносителя (см. RU 2248050 С2, опубл. 10.03.2005 [3]). Данная опорная решетка имеет более равномерное распределение напряженно-деформированного состояния (НДС) по сравнению с известной из [1], имеющей существенную анизотропию.
Однако прочность и жесткость решетки не является оптимальной из-за небольшой толщины перемычек между отверстиями.
Задачей настоящего изобретения является создание технологичной опорной решетки, имеющей высокую прочность и жесткость за счет изменения формы и расположения отверстий для прохода теплоносителя с возможностью изготовления решетки по существующей технологии при сохранении технологических допусков на диаметры отверстий.
Задача решается тем, что в опорной решетке тепловыделяющей сборки ядерного реактора, выполненной в виде плиты с круглыми отверстиями для протока теплоносителя и круглыми отверстиями для установки ТВЭЛов, центральной трубы, а также несущих труб или направляющих каналов, при этом отверстия для протока теплоносителя расположены равномерно по шесть штук вокруг каждого из отверстий для установки ТВЭЛов, центральной трубы, а также несущих труб или направляющих каналов, согласно изобретению отверстия для протока теплоносителя выполнены двух различных диаметров и расположены вокруг каждого их указанных отверстий с чередованием отверстий двух диаметров.
Выполнение отверстий для протока теплоносителя двух различных диаметров и расположение их поочередно вокруг отверстий для установки ТВЭЛов и центральной трубы обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в увеличении жесткости и прочности решетки, с возможностью изготовления решетки по существующей технологии при сохранения технологических допусков на диаметры отверстий.
По сравнению с наиболее близким аналогом [3] предлагаемая решетка имеет большую толщину перемычек (при шаге отверстий под ТВЭЛ 12,3 мм в ТВС реактора ВВЭР-440 толщина перемычек увеличивается на 16%), удерживающих ТВЭЛ, что обеспечивает ей больший запас прочности и возможность ее изготовления по существующей технологии при сохранении технологических допусков на диаметры отверстий.
В частном варианте выполнения изобретения часть отверстий для протока теплоносителя с меньшим из двух диаметров выполнена с диаметром, равным диаметру отверстий для установки ТВЭЛов и центральной трубы, при этом отверстия для установки ТВЭЛов, центральной трубы, а также несущих труб или направляющих каналов и равные им по диаметру отверстия для протока теплоносителя расположены равномерно относительно остальных отверстий для прохода теплоносителя.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен вариант выполнения предлагаемой решетки.
Предлагаемая шестигранная решетка содержит отверстия для установки центральной трубы 1, отверстия для установки ТВЭЛов 2 и отверстия для протока теплоносителя 3 и 4 разного диаметра. Отверстия 3 и 4 расположены равномерно и поочередно в количестве шести штук вокруг отверстий 1 и 2. Таким образом, вокруг отверстия 1 расположено три отверстия 3 одного диаметра и три отверстия 4 другого диаметра. Отверстия 4 выполнены диаметром, равным диаметру отверстий для установки ТВЭЛов 2 и центральной трубы 1, который меньше диаметра отверстий 3. Отверстия 2, равные им по диаметру отверстия 4 и отверстие 1, расположены равномерно относительно остальных отверстий 3 для прохода теплоносителя.
Суть предложения поясняется на фиг.2, где в центрах равносторонних треугольников, в вершинах которых лежат отверстия 2 для ТВЭЛов диаметром 5 мм (⌀5), расположены только отверстия 3 и 4 с диаметрами соответственно D1 и D2. Отверстия 3 и 4 (D1 и D2) образуют перемычки:
П1 - между отверстиями D1 и ⌀5;
П2 - между отверстиями D1 и D2;
П3 - между отверстиями D2 и ⌀5.
Исходя из условия равенства минимальной площади «пролива» Sp=6856,76 мм2 существующей и предлагаемой конструкций решетки, для нескольких значений D1 рассчитаны соответствующие значения D2; П1; П2; П3 с учетом округлений и погрешностей диаметров отверстий, а также точности их расположения из опыта применения современных оборудования с ЧПУ и режущих инструментов, и показаны в таблице 1.
В опорной решетке по ближайшему аналогу имеет место равенство диаметров отверстий 3 и 4, т.е. D1=D2. Из таблицы видно, что в любом варианте с D1>D2 увеличена толщина перемычки П2, что существенно повышает прочность решетки в целом.
Любой вариант из №№2-5 таблицы 1 имеет право на существование в зависимости от того, толщина какой перемычки П1 или П2 важнее, но, по мнению авторов, вариант №3 конструктивно и с точки зрения изготовления является наилучшим. Одним из вариантов, представляющим практический интерес, является вариант №5, когда диаметр отверстий 4 равен диаметру отверстий 2. При этом имеет место равенство толщин перемычек П1 и П2.
Для анализа динамических характеристик конструкции использовался метод ударного возбуждения, который позволяет одновременно получать частотные спектры внешнего воздействия (силы) и отклика (ускорения) точек изделия от приложенной силы. Колебания, создаваемые при ударе, представляют собой кратковременный процесс передачи энергии. Спектр ударной силы получается непрерывным, с максимальной амплитудой при 0 Гц и с последующим ее уменьшением с ростом частоты. Это позволяет проводить одновременное возбуждение конструкции во всем частотном диапазоне (зависящем от характеристик бойка ударного молотка).
Результаты расчетов собственных частот колебаний и отношения жесткостей приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||
| Результаты динамических испытаний и расчетов. | ||||
| Динамические испытания | Расчет | |||
| Собственная частота, Гц | Отношение жесткостей | Собственная частота, Гц | Отношение жесткостей | |
| Известная [1] | 1932,0 | 1 | 1968,0 | 1 |
| RU 2308775 [2] | 2475,0 | 1,84 | 2518,9 | 1,84 |
| Предлагаемая | - | - | 2587,4 | 1,64 |
1. Опорная решетка тепловыделяющей сборки ядерного реактора, выполненная в виде плиты с круглыми отверстиями для протока теплоносителя и круглыми отверстиями для установки ТВЭЛов, центральной трубы, а также несущих труб или направляющих каналов, при этом отверстия для протока теплоносителя расположены равномерно по шесть штук вокруг каждого из отверстий для установки ТВЭЛов, центральной трубы, а также несущих труб или направляющих каналов, отличающаяся тем, что отверстия для протока теплоносителя выполнены двух различных диаметров и расположены вокруг каждого из указанных отверстий для установки ТВЭЛов с чередованием отверстий двух диаметров.
2. Опорная решетка по п.1, отличающаяся тем, что часть отверстий для протока теплоносителя с меньшим из двух диаметров выполнена с диаметром, равным диаметру отверстий для установки ТВЭЛов и центральной трубы.
3. Опорная решетка по п.2, отличающаяся тем, что отверстия для установки ТВЭЛов, центральной трубы, а также несущих труб или направляющих каналов и равные им по диаметру отверстия для протока теплоносителя расположены равномерно относительно остальных отверстий для прохода теплоносителя.
