Опорная решетка ядерной тепловыделяющей сборки
Изобретение относится к тепловыделяющим сборкам ядерного реактора. Опорная решетка сформирована из множества ортогонально скомпонованных полос в конфигурации многоместной тары с гнездами с уголковыми задней и/или передней кромками, которые предназначены для нарушения взаимосвязи вихрей, сходящих с кромок полос решетки изменением фазы вихрей. Технический результат - снижение вероятности резонансной вибрации полос. 2 н. и 33 з.п. ф-лы, 13 ил.
РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта заявка является частичным продолжением заявки № 12/495873, поданной 1 июля 2009 года.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение в целом относится к тепловыделяющей сборке ядерного реактора, а более точно, к ядерной тепловыделяющей сборке, которая использует дистанционирующую решетку, которая минимизирует вызванную потоком вибрацию.
2. Описание предшествующего уровня техники
Первичная сторона энергетических установок на ядерном реакторе, которые охлаждаются водой под давлением, содержит замкнутую цепь, которая изолирована и находится в отношении теплообмена с вторичной цепью для производства полезной энергии. Первичная сторона содержит корпус ядерного реактора, охватывающий внутреннюю конструкцию активной зоны, которая поддерживает множество тепловыделяющих сборок, содержащих в себе ядерное топливо, первичную цепь в пределах теплообменных парогенераторов, внутренний объем компенсатора давления, насосы и трубы для циркуляции воды под давлением, трубы, независимо присоединяющие каждый из парогенераторов и насосов к корпусу ядерного реактора. Каждая из частей первичной стороны, содержащая парогенератор, насос и систему труб, которые присоединены к корпусу, образуют контур первичной стороны.
С целью иллюстрации фиг.1 показывает упрощенную первичную систему ядерного реактора, включающую в себя в целом цилиндрический корпус 10 высокого давления ядерного реактора, имеющий крышку 12 корпуса, закрывающую активную зону 14 ядерного реактора. Жидкий охладитель реактора, такой как вода, нагнетается в корпус 10 насосом 16 через активную зону 14, где тепловая энергия поглощается и выпускается в теплообменник 18, типично указываемый ссылкой как парогенератор, в котором тепло передается в цепь использования (не показана), такую как турбогенератор с паровым приводом. Охладитель реактора затем возвращается в насос 16, завершая первичный контур. Типично множество описанных выше контуров присоединено к одиночному корпусу 10 ядерного реактора трубопроводом 20 охладителя реактора.
Примерная конструкция реактора более подробно показана на фиг.2. В дополнение к активной зоне 14, составленной из множества параллельных вертикальных совместно проходящих тепловыделяющих сборок 22, с целью этого описания, другие внутренние конструкции корпуса могут быть поделены на нижние внутрикорпусные устройства 24 и верхние внутрикорпусные устройства 26. В традиционных конструкциях функция нижних внутрикорпусных устройств состоит в том, чтобы поддерживать, выравнивать и направлять компоненты и контрольно-измерительное оборудование активной зоны, а также ориентировать поток в пределах корпуса. Верхние внутрикорпусные устройства ограничивают или обеспечивают вспомогательное ограничение для тепловыделяющих сборок 22 (только две из которых показаны для простоты на фиг.2) и поддерживают и направляют контрольно-измерительное оборудование и компоненты, такие как графитовые стержни 28. В примерном реакторе, показанном на фиг.2, охладитель проникает в корпус 10 ядерного реактора через один или более приемных патрубков 30, течет вниз через кольцеобразный зазор между корпусом и котлом 32 активной зоны, поворачивается на 180° в нижней полости 34, проходит вверх через нижнюю опорную плиту 37 и нижнюю плиту 36 активной зоны, на которой помещены тепловыделяющие сборки, а также сквозь и вокруг сборок. В некоторых конструкциях нижняя опорная плита 37 и нижняя плита 36 активной зоны заменены единой конструкцией, нижней опорной плитой активной зоны, имеющей такой же подъем, как 37. Поток охладителя через активную зону и окружающее пространство 38 типично велик, порядка 400000 галлонов в минуту со скоростью приблизительно 20 футов в секунду. Результирующее давление падает, и силы трения стремятся заставить тепловыделяющие сборки подниматься, перемещение которых ограничивается верхними внутрикорпусными устройствами, в том числе круглой верхней плитой 40 активной зоны. Охладитель, выходящий из активной зоны 14, течет вдоль оборотной стороны верхней плиты 40 активной зоны и вверх через множество перфораций 42. Охладитель затем течет вверх и радиально в один или более выпускных патрубков 44.
Верхние внутрикорпусные устройства 26 могут подпираться со стороны корпуса и крышки корпуса и включают в себя верхнюю опорную сборку 46. Нагрузки передаются между верхней опорной сборкой 46 и верхней плитой 40 активной зоны главным образом множеством опорных стоек 48. Опорная стойка выровнена над выбранными тепловыделяющей сборкой 22 и перфорациями 42 в верхней плите 40 активной зоны.
Прямолинейно подвижные графитовые стержни 28, которые типично включают в себя приводной вал 50 и сборку 52 крестовины нейтронно-позитронных стержней, проводятся через верхние внутрикорпусные устройства 26 и в выровненные тепловыделяющие сборки 22 направляющими трубками 54 графитовых стержней. Направляющие трубки прочно присоединены к верхней опорной сборке 46 и верхней части верхней плиты 40 активной зоны. Компоновка опорных стоек 48 содействует в замедлении деформации направляющих трубок в аварийном состоянии, которая могла бы пагубно повлиять на возможность введения графитовых стержней.
Фиг.3 - вид в вертикальном разрезе, представленный в вертикально укороченном виде, тепловыделяющей сборки, в целом обозначаемой ссылочным номером 22. Тепловыделяющая сборка 22 является типом, используемым в ядерном реакторе с водой под давлением, и имеет конструктивный остов, который на своем нижнем торце включает в себя хвостовик 58 тепловыделяющей сборки. Хвостовик 58 тепловыделяющей сборки поддерживает тепловыделяющую сборку 22 на нижней плите 60 активной зоны в активной зоне ядерного реактора (нижняя плита 60 активной зоны представлена символом 36 ссылки на фиг.2). В дополнение к хвостовику 58 тепловыделяющей сборки конструктивный остов тепловыделяющей сборки 22 также включает в себя головку 62 тепловыделяющей сборки на своем верхнем торце и некоторое количество направляющих трубок или втулок 84, которые выровнены с направляющими трубками 54 в верхних внутрикорпусных устройствах. Направляющие трубки или втулки 84 тянутся в продольном направлении между хвостовиком 58 и головкой 62 тепловыделяющей сборки и на противоположных концах жестко присоединены к ним.
Тепловыделяющая сборка 22 дополнительно включает в себя множество поперечных решеток 64, разнесенных в осевом направлении и установленных на направляющие втулки 84, и упорядоченный массив вытянутых топливных стержней 66, поперечно разнесенных и поддерживаемых решетками 64. Вид сверху решетки 64 без направляющих втулок 84 и топливных стержней 66 показан на фиг.4. Направляющие втулки 84 проходят через ячейки, помеченные 96, и топливные стержни занимают ячейки 94. Как может быть видно по фиг.4, решетки 64 традиционно сформированы из массива ортогональных полос 86 и 88, которые перемежаются в структуре многоместной тары с гнездами с прилегающей поверхностью раздела четырех полос, определяющей приблизительно квадратные опорные ячейки, благодаря которым топливные стержни 66 поддерживаются в ячейках 94 в поперечном разнесенном взаимном расположении друг с другом. Во многих конструкциях выгибы 90 и выемки 92 отштампованы в противоположных стенках полос, которые образуют опорные ячейки 94. Выгибы и выемки расширяются радиально в опорные ячейки и захватывают топливный стержень 66 между ними, оказывая давление на оболочку топливного стержня, чтобы удерживать стержни на месте. Ортогональный массив полос 86 и 88 приварен на каждом конце полосы к окаймляющей полосе 98 для завершения решетчатой конструкции 64. К тому же сборка 22, как показано на фиг.3, имеет трубку 68 для контрольно-измерительного оборудования, расположенную в ее центре, которая тянется между и захватывается хвостовиком 58 и головкой 62 тепловыделяющей сборки. При такой компоновке частей тепловыделяющая сборка 22 образует целостный узел, допускающий традиционные манипуляции без повреждения сборки частей.
Как упомянуто выше, топливные стержни 66 в их массиве в сборке 22 удерживаются в разнесенном взаимном расположении друг с другом решетками 64, разнесенными по длине тепловыделяющей сборки. Каждый топливный стержень 66 включает в себя множество ядерных топливных таблеток 70 и закрыт на своих противоположных концах верхней и нижней концевыми заглушками 72 и 74. Таблетки 70 удерживаются в стопе полостной пружиной 76, расположенной между верхней концевой заглушкой 72 и верхней поверхностью стопы таблеток. Топливные таблетки 70, состоящие из ядерного топлива, ответственны за создание реактивной мощности реактора. Оболочка, которая окружает таблетки, функционирует в качестве барьера для предохранения побочных продуктов деления от проникновения в охладитель и дальнейшего загрязнения реакторной системы.
Для управления процессом деления некоторое количество графитовых стержней 78 подвижно возвратно-поступательным образом в направляющих втулках 84, расположенных в предопределенных положениях в тепловыделяющей сборке 22. Местоположения направляющих втулок могут быть более точно видны на фиг.4 представленным символом 96 ссылки за исключением центрального местоположения, которое занято трубкой 68 для контрольно-измерительного оборудования. Более точно, механизм 80 управления пакетом стержней, расположенный над головкой 62 тепловыделяющей сборки, поддерживает множество графитовых стержней 78. Механизм управления имеет элемент 82 цилиндрической ступицы с внутренней резьбой с множеством радиальных лап или плеч 52, которые образуют крестовину, отмеченную ранее в отношении фиг.2. Каждое плечо 52 взаимосвязано с графитовым стержнем 78 из условия, чтобы механизм 80 графитовых стержней был работоспособен для перемещения графитовых стержней вертикально в направляющих втулках 84, чтобы, тем самым, управлять процессом деления в тепловыделяющей сборке 22, под движущей силой приводного вала 50 графитового стержня, который присоединен к ступице 80 графитовых стержней, все хорошо известным способом.
Как упомянуто выше, тепловыделяющие сборки подвергаются гидравлическим усилиям, которые превышают вес топливных стержней и, тем самым, прикладывают значительные силы к топливным стержням и сборкам. В дополнение, есть значительная турбулентность в охладителе в активной зоне, вызванная перемешивающими лопастями на верхних поверхностях полос многочисленных решеток, которые содействуют переносу тепла с оболочки топливных стержней в охладитель. Значительные гидродинамические силы и турбулентность может иметь следствием резонансную вибрацию полос решетки, которая происходит в результате синхронизируемой вибрации вихреобразования, когда частота срыва вихрей близка к собственной частоте полосы. Резонансная вибрация может вызывать сильное коррозионное истирание оболочки топливного стержня, если относительное движение между полосой решетки и топливным стержнем не ограничено. Коррозионное истирание оболочки топливного стержня может привести к пролому и подвергать охладитель воздействию радиоактивного побочного продукта внутри топливных стержней. Еще одна потенциально возможная проблема с вибрацией полос решетки состоит в том, что усталостные нагрузки могут возникать в полосах решетки, вызывающие растрескивание полос решеток (или другое повреждение полос).
Таким образом, требуется улучшенное средство поддержки топливных стержней в пределах решетки тепловыделяющей сборки, которая будет лучше противостоять резонансной вибрации полос решетки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение добивается вышеизложенной цели, предлагая усовершенствованную ядерную тепловыделяющую сборку для поддержки разнесенного параллельного массива множества вытянутых ядерных топливных стержней между хвостовиком тепловыделяющей сборки и головкой тепловыделяющей сборки. Множество усовершенствованных опорных решеток скомпонованы последовательно с разнесением вдоль осевой длины топливных стержней, между головкой тепловыделяющей сборки и хвостовиком тепловыделяющей сборки, по меньшей мере частично охватывая осевой участок окружности каждого топливного стержня в пределах опорной ячейки опорных решеток, чтобы поддерживать поперечное разнесение между топливными стержнями. По меньшей мере одна из опорных решеток содержит множество вытянутых пересекающихся полос, которые определяют опорные ячейки на пересечении каждых четырех соседних полос, которые окружают ядерные топливные стержни. Длина каждой ленты вдоль ее вытянутого размера между пересечениями четырех соседних полос образует стенку соответствующей опорной ячейки, причем каждая стенка ячеек, которые окружают топливные стержни, имеет нижнюю переднюю кромку и верхнюю заднюю кромку, которые находятся по существу в плоскости соответствующей полосы. По меньшей мере одна из передней кромки и задней кромки тянется между пересечениями соседних полос под углом, по существу отклоняющимся от угла оси вытянутого размера полос.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления улучшенная конструкция решетки по этому изобретению имеет полосы решетки, перемеженные в компоновке многоместной тары с гнездами, и, предпочтительно, стенки пересекающихся полос находятся на по существу одинаковой высоте при пересечении. Желательно угол отклонения передней кромки и задней кромки включает в себя первый угол и второй угол, а нижняя передняя кромка и верхняя задняя кромка тянутся от пересечения между полосами, соответственно, под первым и вторым углами. В одном из вариантов осуществления первый и второй углы находятся в одном и том же направлении. Во втором варианте осуществления первый и второй углы находятся в противоположных направлениях, а еще в одном другом варианте осуществления первый и второй углы равны.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления одна или обе из передней кромки или задней кромки по меньшей мере одной стенки по меньшей мере некоторых из ячеек, которые окружают топливные стержни, начинается на первом подъеме на первом из пересечений между полосами и тянется вдоль вытянутого размера соответствующей полосы до второго подъема перед пересечением с соседней ортогональной полосой. Желательно второй подъем выше или ниже, чем первый подъем. В альтернативном варианте осуществления, в котором одна или обе из передней кромки или задней кромки тянутся от второго подъема до третьего подъема перед пересечением с соседней ортогональной полосой, третий подъем является иным, чем второй подъем. В одном из вариантов осуществления второй подъем выше, чем первый и третий подъемы на передней кромке, и второй подъем ниже, чем первый и третий подъемы на задней кромке.
В еще одном другом варианте осуществления второй подъем находится на пересечении соседней ортогональной полосы, и второй подъем является одним из большего или меньшего, чем первый подъем. Желательно, одна или более из передней кромки или задней кромки тянется вдоль вытянутого размера полосы от соседней полосы ортогонального пересечения до третьего подъема на пересечении третьей ортогональной полосы, при этом третий подъем является другим из большего или меньшего, чем второй подъем. Предпочтительно, первый и третий подъемы по существу одинаковы. Предпочтительно, одна или более из передней кромки или задней кромки на соседних противоположных параллельных полосах имеют одинаковый волнистый профиль, но противоположные стенки находятся не в фазе на 180°.
Желательно по меньшей мере некоторые из стенок опорных ячеек включают в себя выемку, которая имеет пилообразный открытый вырез в стенке ниже выемки, и, предпочтительно, выемка по существу закруглена на множестве углов, на которых она меняет свое направление на опорную ячейку. В еще одном другом варианте осуществления по меньшей мере некоторые из стенок опорных ячеек, которые включают в себя выемку, которая имеет пилообразный открытый вырез ниже выемки, также включают в себя пилообразную связку в качестве задней кромки.
В еще одном другом варианте осуществления передняя кромка, задняя кромка или обе, передняя кромка и задняя кромка, образованы из выреза в стенке опорной ячейки. Термин «вырез» используется в самом общем смысле, чтобы указывать ссылкой на проем в стенке ячейки, независимо от того, как сформирован. Вырез имеет по меньшей мере одну сторону, которая наклонена ко второй стороне, причем первая и вторая сторона соединены в нижней части плавным изогнутым переходом. Предпочтительно, вырез тянется по существу по ширине стенки, и в одном из вариантов осуществления передняя кромка находится над нижней кромкой полосы решетки. В случае, где опорная ячейка имеет выемку или выгиб, выступающие в опорную ячейку, вырез, который формирует переднюю кромку, сформирован между нижней кромкой полосы и выемкой или выгибом.
В одном из вариантов осуществления вырез находится в форме треугольника, имеющего относительно плоское горизонтальное основание вверху и закругленную нижнюю вершину. Предпочтительно, угол первой и второй сторон друг с другом находятся между 20 и 160 градусами с оптимальным углом между 60 и 90 градусами. С радиусом на закругленной нижней вершине, определенной отношением радиуса кривизны нижней вершины к глубине (высоте) треугольника, отношение предпочтительно находится между 0,1 и 0,9, а наиболее желательно, между 0,5 и 0,7. Предпочтительно, отношение ширины выреза к ширине стенки находится между 0,1 и 0,9, а наиболее предпочтительно, между 0,5 и 0,85.
В еще одном другом варианте осуществления передняя кромка, задняя кромка или обе, передняя кромка и задняя кромка, сформированы по существу в качестве полукруга с открытым концом в верхней части. Предпочтительно, отношение высоты полукруга к ширине полукруга в его самом широком месте имеет значение приблизительно 0,5, а отношение ширины полукруга в его самом широком месте к ширине опорной ячейки находится между от 0,2 до 0,9 с оптимальным диапазоном от 0,4 до 0,6.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительное понимание изобретения может быть получено из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - упрощенная схема системы ядерного реактора, к которой может быть применено это изобретение;
фиг.2 - вид в частичном вертикальном разрезе корпуса ядерного реактора и внутренних компонентов, к которым может быть применено это изобретение;
фиг.3 - вид в частичном вертикальном разрезе тепловыделяющей сборки, проиллюстрированной в вертикально укороченном виде, с частями, отделенными для ясности;
фиг.4 - вид сверху опорной решетки многоместной тары с гнездами по этому изобретению;
фиг.5 - вид в перспективе одной из полос решетки, показанной на фиг.4, которая окаймляет только топливные опорные ячейки;
фиг.6 - вид сбоку в вертикальном разрезе торцевой стенки полос решетки, показанных на фиг.5, который иллюстрирует диагональные выемки, применяемые вариантом осуществления, проиллюстрированным на фиг.5;
фиг.7 - вид в перспективе компоновки многоместной тары с гнездами двух параллельных массивов полос решетки, которые ориентированы ортогонально, чтобы формировать внутренний участок опорных ячеек топливных стержней решетки по этому изобретению;
фиг.8 - вид спереди варианта осуществления, показанного на фиг.7, который иллюстрирует, что соседние параллельные полосы предпочтительно находятся не в фазе на 180°;
фиг.9 иллюстрирует четыре разных варианта осуществления одной стенки топливной опорной ячейки, которая может применяться для достижения целей этого изобретения;
фиг.10 - вид спереди одной стенки топливной опорной ячейки, которая использует пилообразную связку для задней кромки и пилообразный вырез непосредственно под выемками;
фиг.11 - вид сверху одной стенки топливного опорного элемента по этому изобретению с улучшенной конфигурацией выемки;
фиг.12 - вид спереди одной стенки топливной опорной ячейки, которая использует изогнутый вариант пилообразной связки для задней кромки и изогнутый вариант пилообразного выреза непосредственно под выемками, показанными на фиг.10; и
фиг.13 - график результатов испытаний, который иллюстрирует преимущества этого изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Это изобретение дает новую тепловыделяющую сборку для ядерного реактора, а более точно, усовершенствованную конструкцию дистанционирующей решетки для ядерной тепловыделяющей сборки. Усовершенствованная решетка в целом сформирована из матрицы приблизительно квадратных (или шестиугольных) ячеек, некоторые 94 из которых поддерживают топливные стержни, тогда как некоторые из них 96 присоединены к направляющим втулкам и центральной трубке для контрольно-измерительного оборудования. Вид сверху, показанный на фиг.4, выглядит в очень большой степени подобным решеткам предшествующего уровня техники, поскольку контуры отдельных полос 86 и 88 решетки не полностью видны из этого представления, но могут быть лучше оценены по достоинству на виде, показанном на фиг.5-12. Решетка по этому варианту осуществления сформирована из двух ортогонально расположенных наборов параллельных разнесенных полос 86 и 88, которые перемежаются традиционным образом и окружены наружной полосой 98 для формирования конструктивного строения решетки 64. Хотя ортогональные полосы 86 и 88, формирующие по существу квадратные опорные ячейки топливных стержней, показаны в этом варианте осуществления, должно быть принято во внимание, что это изобретение может равным образом также применяться к другим конфигурациям решетки, например, шестиугольным решеткам. Ортогональные полосы 86 и 88, а в случае внешних рядов, наружная полоса 98, определяют опорные ячейки 94 на пересечении каждых четырех соседних полос, которые окружают ядерные топливные стержни 66. Длина каждой полосы вдоль вытянутого размера полос между пересечениями четырех соседних полос образует стенку 100 опорных ячеек 94 топливных стержней.
Вследствие высокой скорости охладителя, проходящего вверх через активную зону, и турбулентности, которая вообще намеренно создается для содействия теплопереносу из числа тепловыделяющих сборок в охладитель, полосы 86 и 88 решетки топливных стержней имеют потенциальную возможность испытывать синхронизируемую вибрацию вихреобразования, когда частота срыва вихрей близка к собственной частоте полосы. Если вибрация достигает собственной частоты вибрации полосы, относительное колебательное движение между контактами решетки (выемками и выгибами) и оболочкой топливного стержня может вызывать коррозионное истирание и в конечном счете может иметь следствием пролом оболочки и выпускание побочных продуктов деления в охладитель. Резонансная вибрация также может вызывать трещины или другие повреждения полос решеток, которые также могли бы привести к пролому оболочки. Это изобретение применяет полосы с уголковыми задней и передней кромками, которые предназначены для нарушения взаимосвязи вихрей, срываемых с задней и передней кромок полос решетки, изменением фазы вихрей для избежания синхронизируемой вибрации вихреобразования. Усовершенствованная полоса решетки по этому изобретению может быть лучше оценена по достоинству из представлений, показанных на фиг.5-11. Отметим, что фиг.12 дает альтернативный вариант осуществления для нарушения взаимосвязи с использованием полукруглых вырезов вместо уголковых кромок. Для простоты участки полос, которые показаны, имеют стенки 100, которые только поддерживают топливные стержни и не окаймляют ячейки 96, через которые тянутся направляющие втулки и трубка для контрольно-измерительного оборудования. Фиг.5 показывает вид в перспективе участка одной из полос 86 и 88, которая граничит с ячейками, которые поддерживают топливные стержни. Стенка 100 каждой ячейки 94 определена между вертикальными прорезями 102 и между вертикальными прорезями 102 и концами полос. Вертикальные прорези 102 в полосах 86, которые тянутся от нижней кромки 104 полосы, чтобы немного поднимать высоту полос, сопряженных с соответствующим вырезом в полосах 88, который тянется от верхней кромки и тянется частично вниз для формирования пересечения между полосами на перемеженном стыке. Нижняя кромка 104 полос 86, 88 в дальнейшем указывается ссылкой как передняя кромка, а верхняя кромка 106 полос 86, 88 в дальнейшем указывается ссылкой как задняя кромка, поскольку охладитель проходит активную зону от нижней кромки к верхней кромке.
В соответствии с этим изобретением, одна или обе, передняя кромка 104 или задняя кромка, снабжены уголковым контуром, который меняет подъем любой или обеих, передней кромки 104 или задней кромки 106, по мере того, как кромки тянутся вдоль стенок 100 продольно вдоль длины полос. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.5, передняя кромка снабжена плоским контуром, который не меняется по подъему вдоль стенки 100, наряду с тем, что задняя кромка снабжена изогнутым контуром, который нарушает взаимосвязь между вихрями, то есть вихри не могут усиливать друг друга.
Во время работы реактора в активной зоне высокоскоростной поток охладителя сквозь полосы решетки вызывает синхронизируемую вибрацию вихреобразования, если частота срыва вихрей близка к собственной частоте полос решетки. С уголковыми задними и/или передними кромками вихрь будет по-прежнему формироваться вдоль передней кромки на каждой стенке 100 вдоль полосы. Вихрь на каждой стенке будет иметь одинаковую частоту срыва вихрей, если одинакова скорость потока охладителя. Однако момент (то есть привязка по времени) вихрей, сходящих с уголковых кромок, не будет взаимосвязан, так как они будут не в фазе. С уголковой задней кромкой колебания давления разностного вектора движения, обусловленные вихреобразованием, действуют в разных фазах, чтобы взаимно уничтожать друг друга, и никакая равномерно распределенная результирующая пульсирующая сила не будет формироваться для возбуждения полосы. В варианте осуществления, показанном на фиг.5, задняя кромка 106 стенки 100 полосы 86 наклонена под постоянным углом приблизительно в 45° между пересечениями соседних ортогональных полос и осуществляет плавно закругленный переход на пересечении 102, изменяя направления приблизительно на 90° и приблизительно на реверсивные направления на каждой следующей границе раздела с ортогональными полосами 88. Хотя угол наклона был описан в качестве являющегося приблизительно 45°, должно приниматься во внимание, что он может меняться между 10 и 80°, не умаляя изобретения. Выемки 108 и 108', проиллюстрированные на фиг.5, выступают в соседние ячейки и соприкасаются и поддерживают топливные стержни. Выемки 108 и 108' также сконструированы под углом, чтобы уменьшать жесткость выемок и вносить вклад в изменение взаимосвязи вихрей для предотвращения формирования равномерно распределенных колебательных сил, которые давали бы в результате резонансную вибрацию полосы решетки. Вид сбоку выемок 108 и 108' показан на фиг.6.
Фиг.7 показывает перспективный участок решетки, сконструированный из перемеженной компоновки двух параллельных массивов ортогональных полос 86 и 88 с каждой полосой, сформированной с уголковым профилем задней кромки, проиллюстрированным на фиг.5. Должно быть отмечено, что полосы 86 и 88 являются одинаковой высотой на пересечениях 102, а полосы, которые формируют противоположные стенки каждой ячейки, наклонены в разных направлениях. Вновь, для простоты, компоновка полос, проиллюстрированная на фиг.7, определяет ячейки, которые поддерживают топливные стержни, и не иллюстрирует ячейки, через которые проходят направляющие втулки и трубка для контрольно-измерительного оборудования.
Несмотря на то, что до настоящего времени иллюстрировался волнообразный профиль задней кромки 106, должно быть принято во внимание, что преимущества этого изобретения могут быть достигнуты с применением других профилей задней и передней кромки. Например, как проиллюстрировано на фиг.9, по профилю 110 стенки стенка 100 ячейки может иметь прямую горизонтальную переднюю кромку 104 и наклонную заднюю кромку 106, подобную описанной в отношении фиг.5-8, за исключением того, что соседние ячейки могут быть наклонены в том же самом направлении, что и профиль 110. Уголковый профиль кромки также может изменяться между соседними ячейками. В еще одном другом варианте осуществления, представленном профилем 112 стенки ячейки, передняя кромка 104 имеет прямой горизонтальный контур, наряду с тем, что задняя кромка сформирована пилообразным профилем, который повторяется от ячейки к ячейке. В еще одном варианте осуществления, проиллюстрированном профилем 114, стенка 100 ячейки имеет переднюю кромку 104, которая скошена параллельно передней кромке 106 под углом, подобно описанной для варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг.5. Подобно описанному ранее, стенки соседних ячеек на одной и той же полосе могут быть наклонены в противоположном направлении или они могли бы быть наклонены в одном и том же направлении.
В еще одном другом варианте осуществления обе, передняя кромка 104 и задняя кромка 106, могут быть сформированы в пилообразном профиле, наклоненном в противоположных направлениях. Предпочтительно, в каждом случае противоположные стенки каждой ячейки были бы наклонены не в фазе на 180° (где 360° - полная протяженность профиля уголковой кромки до того, как она повторяется), подобно проиллюстрированным на фиг.8.
Таким образом, с применением этого изобретения уголковых задней и передней кромок в активной зоне ядерного реактора вихри по-прежнему будут формироваться вдоль задней кромки. Каждый вихрь вдоль кромки полосы будет иметь одну и ту же частоту срыва вихрей, если одинакова скорость потока. Однако фазы этих вихрей, сходящих с кромки, не взаимосвязаны вследствие формы кромок. Поэтому колебания давления разностного вектора движения, обусловленные вихреобразованием, действуют в разных фазах. Вследствие разности фаз силы разностного вектора движения будут взаимно уничтожать друг друга и не будут формировать равномерно распределенных результирующих пульсирующих сил.
Предпочтительный вариант осуществления показан на фиг.10. Фиг.10 показывает еще один вариант осуществления, который применяет горизонтальные выемки 108 и 108' с прямой горизонтальной нижней кромкой 104 полосы и пилообразной задней кромкой 106. Пилообразный вырез 118 проштампован ниже выемки 108 для формирования задней кромки для этой нижней области полосы, которая видоизменяет взаимосвязь вихрей с этой области кромки. В дополнение выемки 108 и 108' смягчены умеренно закругленными кривыми, чтобы дополнительно видоизменять вихри, как показано на фиг.11. Фиг.10 показывает только одну стенку топливной опорной ячейки на полосе решетки. При осмотре целой ленты решетки верхняя кромка выглядит подобно пилообразной конструкции. Термин «пилообразный» предназначен для указания ссылкой на вторую и четвертую конструкцию слева на фиг.9 и конструкцию, показанную на фиг.10, то есть с и без выступа 120. Два выреза 106 и 118, один на верхней кромке полосы и другой под нижней выемкой, определены углом выреза и радиусом в нижней части треугольных вырезов, как показано на фиг.10. Третий параметр, отношение ширины выреза к общей ширине ячейки полосы, также является параметром, оказывающим воздействие на эксплуатационные качества этого изобретения.
Угол θ вырезов и верхних задних кромок (закрытый угол), который определен на фиг.10, находится между 20 и 160 градусами, с оптимальным углом между 60 и 90 градусами. Отношение радиуса в нижней части треугольных вырезов определяется отношением радиуса кривой к глубине выреза. С использованием этого определения диапазон отношения радиуса (R/D) может тянуться от 0,1 до 0,9, с оптимальным диапазоном между 0,5 и 0,7. Экспериментирование показало, что разделение профиля границы стенки топливной опорной ячейки (подобно 106 или 118) может быть полезным для снижения вибрации. Например, верхний вырез, показанный на фиг.10, был показан для обеспечения меньшей вибрации, чем вибрация там, где отношение W/P (ширины выреза в ее самом широком месте к общей ширине стенки ячейки) приближалось к 1,0. Геометрия верхнего выреза, показанная на фиг.10, имеет небольшой выступ 120 на любой стороне уголковых задних кромок с достаточно большим радиусом в нижней части. Эта геометрия убирает длинную горизонтальную кромку конструкции предшествующего уровня техники, которая показала себя демонстрирующей значительную вибрацию. В дополнение, эта геометрия предусматривает три разных конфигурации кромки, горизонтальную, уголковую и радиусную, которые при испытании показали себя предпочтительной геометрией для предотвращения взаимосвязи вихрей, таким образом, предотвращая вибрацию высокой амплитуды. Отношение ширины выреза к общей ширине ячейки находится между 0,1 и 0,9, с оптимальным диапазоном от 0,5 до 0,85. Таким образом, предпочтительный вариант осуществления описан углом θ выреза, отношением нижнего радиуса (R/D) и отношением ширины выреза (W/P).
Фиг.12 показывает альтернативную конфигурацию для верхнего и нижнего выреза. Эта конфигурация была экспериментально проверена и показана обеспечивающей значительное ослабление вибрации относительно конструкции предшествующего уровня техники. Эта конфигурация использует полукруглый вырез вместо пилообразного выреза в качестве задней кромки для потока хладагента. Концепция этой конфигурации состоит в том, что нет прямой кромки по полной ширине выреза задней кромки, которая будет дополнительно предохранять вихри охладителя от взаимосвязи и, таким образом, снижать вибрацию. Геометрия этой конфигурации должна быть такой, что отношение глубины (D) к ширине (W) приближается к 0,5 для максимизации кривизны выреза и уменьшения взаимосвязи вихрей. Отношение ширины (W) выреза к общей ширине (P) ячейки также важно для этой альтернативной конфигурации. Как показано на фиг.12, норма W/P должна быть от 0,2 до 0,9, с оптимальным диапазоном от 0,4 до 0,6.
Фиг.13 иллюстрирует экспериментальные результаты, которые были получены, которые демонстрируют уменьшение вибрации полос решетки, которое может достигаться применением этого изобретения. Эта фигура иллюстрирует уменьшение вибрации для вариантов пилообразной конструкции по фиг.10. Эти данные показывают, что для разных значений угла θ выреза, нормы нижнего радиуса (R/D) и нормы ширины выреза (W/P), уменьшение вибрации будет разным. Эти данные и другие данные, подобные им, использовались для определения диапазонов для этих параметров, изложенных выше, включая оптимальные диапазоны.
Соответственно, несмотря на то, что были подробно описаны отдельные варианты осуществления изобретения, специалистами в данной области техники будет принято во внимание, что различные модификации и альтернативные варианты в отношении таких подробностей могли бы быть разработаны в свете общих доктрин раскрытия. Соответственно, конкретные раскрытые варианты осуществления подразумеваются исключительно иллюстративными, а не ограничивающими, в отношении объема изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения, а также любыми и всеми ее эквивалентами.
Перечень ссылочных позиций
| 10 | корпус высокого давления ядерного реактора | ||
| 56 | шплинт | ||
| 12 | крышка ядерного реактора | ||
| 58 | хвостовик тепловыделяющей сборки | ||
| 14 | активная зона | ||
| 60 | нижняя опорная плита активной зоны | ||
| 16 | насос | ||
| 62 | головка тепловыделяющей сборки | ||
| 18 | теплообменник | ||
| 64 | решетки | ||
| 20 | трубопровод охладителя | ||
| 66 | топливные стержни | ||
| 22 | тепловыделяющие сборки | ||
| 68 | трубка для контрольно-измерительного оборудования | ||
| 24 | нижние внутрикорпусные устройства | ||
| 70 | топливные таблетки | ||
| 26 | верхние внутрикорпусные устройства | ||
| 72 | верхняя концевая заглушка | ||
| 28 | графитовые стержни | ||
| 74 | нижняя концевая заглушка | ||
| 30 | приемные патрубки | ||
| 76 | полостная пружина | ||
| 32 | котел активной зоны | ||
| 78 | графитовые стержни | ||
| 34 | нижняя полость | ||
| 80 | механизм управления пакетом стержней |
| 36 | нижняя плита активной зоны | ||
| 82 | ступица крестовины | ||
| 37 | нижняя опорная плита | ||
| 84 | направляющие втулки тепловыделяющей сборки | ||
| 38 | окружающее пространство в активной зоне | ||
| 86 | перпендикулярные полосы решетки | ||
| 40 | верхняя плита активной зоны | ||
| 88 | перпендикулярные полосы решетки | ||
| 42 | перфорации в верхней плите активной зоны | ||
| 90 | выгибы | ||
| 44 | выпускные патрубки | ||
| 92 | выемки | ||
| 46 | верхняя опорная сборка | ||
| 94 | топливные опорные ячейки | ||
| 48 | опорные стойки | ||
| 96 | втулочные ячейки графитовых стержней | ||
| 50 | приводной вал графитового стержня | ||
| 98 | окаймляющая полоса | ||
| 52 | сборка крестовины | ||
| 100 | стенка опорной ячейки топливного стержня | ||
| 54 | направляющие трубки | ||
| 102 | прорезь в полосе решетки | ||
| 104 | передняя кромка | ||
| 106 | задняя кромка | ||
| 108 | выемки | ||
| 110 | профиль 1 кромки | ||
| 112 | профиль 2 кромки | ||
| 114 | профиль 3 кромки | ||
| 116 | профиль 4 кромки | ||
| 118 | пилообразный вырез | ||
| 120 | верхний выступ на задней кромке |
1. Тепловыделяющая сборка для ядерного реактора, содержащая: параллельный разнесенный массив из множества вытянутых ядерных топливных стержней, поддерживаемых между хвостовиком тепловыделяющей сборки и головкой тепловыделяющей сборки, и имеющий осевую длину вдоль вытянутого размера ядерных топливных стержней;
множество разнесенных опорных решеток, скомпонованных последовательно вдоль осевой длины топливных стержней, между головкой тепловыделяющей сборки и хвостовиком тепловыделяющей сборки, по меньшей мере частично охватывающих осевой участок окружности каждого топливного стержня в пределах соответствующей опорной ячейки опорных решеток, чтобы поддерживать поперечное разнесение между топливными стержнями, при этом по меньшей мере одна из опорных решеток содержит:
множество вытянутых пересекающихся полос, которые определяют опорные ячейки на пересечении каждых четырех соседних полос, которые окружают ядерные топливные стержни, при этом длина каждой полосы вдоль ее вытянутого размера, между пересечениями четырех соседних полос, образующих стенку соответствующей опорной ячейки, с каждой стенкой ячеек, которые окружают топливные стержни, имеющей нижнюю переднюю кромку и верхнюю заднюю кромку, которые по существу находятся в плоскости соответствующей полосы с по меньшей мере одной из передней кромки и задней кромки, тянущейся между пересечениями соседних полос под углом, по существу отклоняющимся от угла оси вытянутого размера полос, при этом одна или обе из передней кромки или задней кромки по меньшей мере одной стенки по меньшей мере некоторых из ячеек, которые окружают топливные стержни, начинается на первом подъеме на первом из пересечений между полосами и тянется вдоль вытянутого размера соответствующей полосы до второго подъема перед пересечением соседней полосы.
2. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой пересечение полос перемежается в компоновке многоместной тары с гнездами.
3. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой стенки пересекающихся полос находятся по существу на одинаковой высоте на пересечении.
4. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой угол отклонения содержит первый угол и второй угол, а нижняя передняя кромка и верхняя задняя кромка тянутся от пересечения между полосами, соответственно, под первым и вторым углами.
5. Тепловыделяющая сборка по п.4, в которой первый и второй углы находятся в одном и том же направлении.
6. Тепловыделяющая сборка по п.4, в которой первый и второй углы находятся в противоположных направлениях.
7. Тепловыделяющая сборка по п.4, в которой первый и второй углы равны.
8. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой второй подъем ниже, чем первый подъем.
9. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой второй подъем выше, чем первый подъем.
10. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой одна или обе из передней кромки или задней кромки тянется от второго подъема до третьего подъема перед пересечением с соседней ортогональной полосой, при этом третий подъем является иным, чем второй подъем.
11. Тепловыделяющая сборка по п.10, в которой второй подъем выше, чем первый и третий подъемы на передней кромке, и второй подъем ниже, чем первый и третий подъемы на задней кромке.
12. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой второй подъем находится на пересечении соседней второй полосы, и второй подъем является одним из большего или меньшего, чем первый подъем.
13. Тепловыделяющая сборка по п.12, в которой одна или более из передней кромки или задней кромки тянется вдоль вытянутого размера полосы от соседней полосы до третьего подъема на пересечении третьей ортогональной полосы, при этом третий подъем является другим из большего или меньшего, чем второй подъем.
14. Тепловыделяющая сборка по п.13, в которой первый и третий подъемы по существу одинаковы.
15. Тепловыделяющая сборка по п.13, в которой одна или более из передней кромки или задней кромки на соседних параллельных полосах имеют одинаковый волнистый профиль, но противоположные стенки находятся не в фазе на 180 градусов.
16. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой по меньшей мере некоторые из стенок опорных ячеек включают в себя выемку, которая имеет пилообразный открытый вырез в стенке ниже выемки.
17. Тепловыделяющая сборка по п.16, в которой выемка является по существу закругленной на множестве углов, в которых она меняет направление на опорную ячейку.
18. Тепловыделяющая сборка по п.16, в которой по меньшей мере некоторые из стенок опорных ячеек, которые включают в себя выемку, которая имеет пилообразный открытый вырез ниже выемки, также включают в себя пилообразную связку в качестве задней кромки.
19. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой передняя кромка, задняя кромка или обе, передняя кромка и задняя кромка, сформированы в качестве выреза в стенке опорной ячейки, который имеет по меньшей мере первую сторону, которая наклонена ко второй стороне, причем первая и вторая стороны соединены в нижней части плавным изогнутым переходом.
20. Тепловыделяющая сборка по п.19, в которой вырез тянется по существу по ширине стенки.
21. Тепловыделяющая сборка по п.19, в которой вырез, который формирует переднюю кромку, находится выше нижней кромки полосы.
22. Тепловыделяющая сборка по п.21, в которой стенка имеет выемку или выгиб, выступающие в опорную ячейку, и вырез, который формирует переднюю кромку, сформирован между нижней кромкой полосы и выемкой или выгибом.
23. Тепловыделяющая сборка по п.19, в которой вырез находится в форме треугольника, имеющего относительно плоское горизонтальное основание вверху и закругленную нижнюю вершину.
24. Тепловыделяющая сборка по п.23, в которой треугольник является по существу равнобедренным треугольником.
25. Тепловыделяющая сборка по п.23, в которой закрытый угол первой и второй сторон находится между 20 и 160 градусами.
26. Тепловыделяющая сборка по п.25, в которой закрытый угол первой и второй сторон находится между 60 и 90 градусами.
27. Тепловыделяющая сборка по п.23, в которой радиус на закругленной нижней вершине определен отношением радиуса к глубине, которая является высотой треугольника, а отношение находится между 0,1 и 0,9.
28. Тепловыделяющая сборка по п.27, в которой отношение находится между 0,5 и 0,7.
29. Тепловыделяющая сборка по п.23, в которой отношение ширины выреза к ширине стенки находится между 0,1 и 0,9.
30. Тепловыделяющая сборка по п.29, в которой отношение находится между 0,5 и 0,85.
31. Тепловыделяющая сборка по п.1, в которой передняя кромка, задняя кромка или обе, передняя кромка и задняя кромка, сформированы по существу в качестве полукруга с открытым концом в верхней части.
32. Тепловыделяющая сборка по п.31, в которой отношение высоты полукруга к ширине полукруга в его самом широком месте имеет значение приблизительно 0,5.
33. Тепловыделяющая сборка по п.31, в которой отношение ширины полукруга в его самом широком месте к ширине опорной ячейки находится между от 0,2 до 0,9.
34. Тепловыделяющая сборка по п.33, в которой отношение находится между от 0,4 до 0,6.
35. Опорная решетка для ядерной тепловыделяющей сборки, содержащая:
множество вытянутых пересекающихся полос, некоторые из которых определяют опорные ячейки на пересечении четырех соседних полос, которые окружают ядерные топливные стержни, при этом длина каждой полосы вдоль ее вытянутого размера, между пересечениями четырех соседних полос, образует стенку соответствующей опорной ячейки, при этом каждая стенка ячеек, которые окружают топливные стержни, имеет нижнюю переднюю кромку и верхнюю заднюю кромку, которые по существу находятся в плоскости соответствующей полосы с по меньшей мере одной из передней кромки и задней кромки, тянущейся между пересечениями соседних полос под углом, по существу отклоняющимся от угла оси вытянутого размера полос, одна или обе из передней кромки или задней кромки по меньшей мере одной стенки по меньшей мере некоторых из ячеек, которые окружают топливные стержни, начинается на первом подъеме на первом из пересечений между полосами и тянется вдоль вытянутого размера соответствующей полосы до второго подъема перед пересечением соседней полосы.
