Тепловыделяющая сборка ядерного реактора
Владельцы патента RU 2627307:
Публичное акционерное общество "Машиностроительный завод" (RU)
Изобретение относится к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.). Анти-debris фильтр предлагаемой ТВС выполнен в виде толстой плиты, имеющей конусообразную форму со стороны входа теплоносителя с тупым углом при вершине, направленной навстречу потоку теплоносителя, на периферии которой выполнена кольцевая проточка, образующая совместно с внутренней поверхностью хвостовика кольцевое углубление, несколько концентричных относительно продольной оси тепловыделяющей сборки рядов равномерно расположенных в окружном направлении каналов для прохода теплоносителя, изогнутых в окружном направлении до обеспечения непрозрачности фильтра в направлении продольной оси тепловыделяющей сборки, и плоскую форму со стороны выхода теплоносителя. Техническим результатом является повышение эффективности по отношению к улавливанию debris-предметов как криволинейной, так и прямолинейной формы. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.).
Из уровня техники известна конструкция ТВС ядерных реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000 (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990., рис. П.8.1, П.8.3 и П.8.5, с. 317-319), ТВС которой состоит из пучка твэлов 1, закрепленных в несущей нижней решетке (HP) 7 и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР) 2, закрепленными на центральной трубе 9. В ТВСА ВВЭР-1000 ДР крепятся также к уголкам 3, прикрепленным винтами 6 к хвостовику 4. В ТВС-2М ДР крепятся к направляющим каналам (НК). Во всех конструкциях ТВС имеется головка 5 для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС.
Из уровня техники известна рабочая кассета (РК) ядерного реактора ВВЭР-440, HP которой, шестиугольной формы, имеет 126 круглых отверстий для установки твэлов, центральное отверстие для установки центральной трубы, 102 отверстия в форме «гантели» для протока теплоносителя, 12 отверстий диаметром 5,9 min и 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+1.0, причем по контуру каждой грани шестигранной HP расположены по семь отверстий для нижних заглушек твэлов (см. Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 31-35). HP РК-3 ВВЭР-440 имеет дополнительно круглые отверстия для установки несущих труб (НТ).
Аналогичную конструкцию имеет несущая решетка ТВС ВВЭР-1000, которая дополнительно имеет круглые отверстия для установки НК.
Функционально HP является несущим силовым элементом, удерживающим пучок твэлов в стационарном режиме и при транспортно-технологических операциях (ТТО), а в ТВС ВВЭР-1000 она также обеспечивает загрузку-выгрузку ТВС с помощью НК.
Существенным недостатком известных HP является возможность пропускать с потоком теплоносителя посторонние debris-предметы больших размеров. Например, большая ширина и длина проливных отверстий штатной HP позволяет пропускать в пучок твэлов цилиндрические debris-предметы, диаметром до 6,3 мм, и плоские, шириной до 13,4 мм при толщине до 5,2 мм. HP с круглыми проливными отверстиями и HP типа «ромашка» для ТВС-2М также не обладают требуемыми анти-debris свойствами и пропускают длинные цилиндрические debris-предметы до размера в поперечном направлении 7,18 мм и 6,63 мм соответственно.
Проведенными экспериментальными исследованиями показано, что существующие конструкции HP имеют эффективность задержания debris-предметов произвольной формы 50…60%, что, как показала практика, недостаточно, т.к. разгерметизация оболочек твэлов по этой причине составляет ~56% от общего количества отказов.
В связи с этим возникла необходимость в оснащении ТВС анти debris-фильтрами (АДФ), устанавливаемыми в хвостовики на входе в ТВС. В настоящее время все РК ВВЭР-440, ТВС ВВЭР-1000 имеют АДФ.
В проекте ТВС-2М для ВВЭР-1000 был разработан АДФ, состоящий из перфорированных пластин треугольной формы. Известная конструкция АДФ ТВС-2М собирается из 12 таких пластин, установленных под определенным углом друг к другу, с помощью дополнительных ребер в сложную пространственную конструкцию, при этом большая протяженность сварных швов снижает надежность сварных соединений.
Были предложения также оснастить штатные HP дополнительными прутками из проволоки 1,5…2 мм, приваренными на нижнюю поверхность HP в районе проливных отверстий, что в условиях массового производства реализовать практически невозможно.
Данные конструкции АДФ были исследованы в ОАО «ЭНИЦ» и результаты исследований были представлены на 7-ой МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, 26-27 мая 2010 г. в докладе «Экспериментальное исследование эффективности антидебрисных фильтров кассет ВВЭР-1000».
Сравнительные исследования различных конструкций АДФ, проведенные ОАО «ЭНИЦ», показали, что эффективность задержания debris-предметов для АДФ ТВС-2М составляет 77,9%, а для АДФ ТВСА - 79,1%, т.е. увеличивается почти до 80%.
При этом, однако, увеличивается и перепад давления теплоносителя на входном участке ТВС в 1,45…1,65 раза по сравнению с перепадом давления на HP.
Недостатком известных конструкций является то, что они не могут быть изготовлены посредством механической обработки, поскольку имеют узкие щели, шириной 2 мм, и довольно тонкие перемычки между ними.
Наиболее близким аналогом предлагаемой ТВС является известная ТВС ядерного реактора (ТВСА ВВЭР-1000), содержащая пучок твэлов и НК 8, закрепленных в HP 7 и соединенных между собой ДР 2, закрепленными на центральной трубе 9 и уголках 3, имеющая АДФ 10, установленный в хвостовике 4, представляющий собой густо перфорированную плоскую пластину с отверстиями формы «шеврон», шириной 2 мм (RU 2264666, опубл. 20.11.2005).
Основным недостатком всех существующих конструкций АДФ является высокая трудоемкость изготовления.
Изготовление известных АДФ как электроэрозионным способом, так и с помощью гидроабразивной резки приводит к большим трудозатратам.
При этом известные конструкции АДФ при их довольно высокой эффективности по отношению к криволинейным debris-предметам практически не эффективны против debris-предметов в форме прямолинейных стержней и плоских предметов большой ширины любой длины, имеющих толщину менее 2 мм.
При этом плоский АДФ имеет существенное гидравлическое сопротивление, а также в нем может происходить накопление значительного количества debris-предметов и дополнительное увеличение за счет этого КГС АДФ и ТВС.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и работоспособности ТВС типа ВВЭР за счет фильтрации debris-предметов, содержащихся в теплоносителе, и уменьшения за счет этого повреждения оболочек твэлов.
Данный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок твэлов, закрепленных в несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе или направляющих каналах, фильтр для задержания посторонних предметов в теплоносителе, установленный в хвостовике перпендикулярно продольной оси тепловыделяющей сборки, выполнен в виде толстой плиты, имеющей конусообразную форму со стороны входа теплоносителя с тупым углом при вершине 15, направленной навстречу потоку теплоносителя, на периферии которой выполнена кольцевая проточка 16, образующая совместно с внутренней поверхностью хвостовика кольцевое углубление, несколько концентричных относительно продольной оси тепловыделяющей сборки рядов равномерно расположенных в окружном направлении каналов 11 для прохода теплоносителя, изогнутых в окружном направлении до обеспечения непрозрачности фильтра в направлении продольной оси тепловыделяющей сборки, и плоскую форму со стороны выхода теплоносителя.
Конусообразная сторона АДФ может иметь как гладкую, так и ступенчатую поверхность.
Каналы предпочтительно имеют прямоугольное поперечное сечение 14 и состоят из двух прямолинейных частей, одна из которых на выходе теплоносителя из фильтра 13 параллельна оси тепловыделяющей сборки, а другая 12, на входе теплоносителя, расположена под утлом к ней.
На фиг. 1, 4 стрелкой показано направление движения теплоносителя.
Кольцевое расположение рядов каналов позволяет обеспечить наибольшее проходное сечение, а их изогнутость требуемую эффективность АДФ.
Смещение соседних рядов каналов в осевом направлении за счет конической формы АДФ на входе теплоносителя обеспечивает снижение КГС за счет образования при этом конфузора вместо резкого сужения сечения для прохода теплоносителя на входе в АДФ.
АДФ устанавливается внутри хвостовика 4 в кольцевую проточку и фиксируется в осевом направлении сваркой с хвостовиком в нескольких местах.
Поперечное сечение каналов для прохода теплоносителя в форме прямоугольника имеет высоту не более 2 мм и ширину 7…10 мм.
Профиль каналов имеет форму ломаной прямой. При этом часть канала на входе теплоносителя расположена под углом 15°…25° по отношению к продольной оси тепловыделяющей сборки и имеет длину, равную половине длины канала, для обеспечения наибольшей эффективности и минимального гидравлического сопротивления предлагаемого АДФ.
Часть канала на выходе теплоносителя ориентирована параллельно оси ТВС, что обеспечивает фильтрацию прямолинейных debris-предметов, вошедших с поворотом во входную часть канала.
Причем такая ориентация участка выхода теплоносителя из канала приводит к направлению потока теплоносителя на выходе из АДФ параллельно оси ТВС, что способствует снижению вибрации и гидравлических нагрузок в нижней части ТВС, пучка твэлов.
Угол при вершине конуса способствует созданию поперечной составляющей гидродинамического воздействия потока теплоносителя на debris-частицы, сносящего их в кольцевое углубление, образованное кольцевой проточкой 16 на периферии АДФ совместно с внутренней поверхностью хвостовика с конической стороны, и стабилизирующего за счет этого КГС АДФ при накоплении большого их количества, что придает предлагаемому АДФ свойство самоочищения.
Предлагаемый АДФ может быть выполнен из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием современной цифровой высокоточной аддитивной технологии.
Предлагаемый АДФ имеет наиболее высокую технологичность за счет выполнения его плоским с одной из сторон, т.к. такая форма не требует выполнения, и в дальнейшем удаления, технологической поддержки, требуемой при изготовлении его по аддитивной технологии, что сокращает время и трудоемкость его изготовления.
Проливное сечение предлагаемого АДФ предпочтительно не менее чем у штатной HP. При наружном диаметре предлагаемого АДФ 224 мм, максимальной толщине 16 мм, минимальной толщине 9 мм, высоте поперечного сечения канала 2 мм и ширине 7,5 мм, угле наклона каналов 20° и длине наклонной части канала 8 мм проливное сечение его составляет 21330 мм при проливном сечении штатной HP 20290 мм2.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена предлагаемая ТВС.
На фиг. 2 изображен АДФ предлагаемой ТВС.
На фиг. 3 изображена центральная часть АДФ предлагаемой ТВС.
На фиг. 4 изображен ряд каналов АДФ предлагаемой ТВС.
1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок твэлов, закрепленных в несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе или направляющих каналах, фильтр для задержания посторонних предметов в теплоносителе, установленный в хвостовике перпендикулярно продольной оси тепловыделяющей сборки, отличающаяся тем, что фильтр выполнен в виде толстой плиты, имеющей конусообразную форму со стороны входа теплоносителя с тупым углом при вершине, направленной навстречу потоку теплоносителя, на периферии которой выполнена кольцевая проточка, образующая совместно с внутренней поверхностью хвостовика кольцевое углубление, несколько концентричных относительно продольной оси тепловыделяющей сборки рядов равномерно расположенных в окружном направлении каналов для прохода теплоносителя, изогнутых в окружном направлении до обеспечения непрозрачности фильтра в направлении продольной оси тепловыделяющей сборки, и плоскую форму со стороны выхода теплоносителя.
2. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что каналы для прохода теплоносителя состоят из двух прямолинейных частей, одна из которых на выходе теплоносителя из фильтра параллельна оси тепловыделяющей сборки, а другая, на входе теплоносителя, расположена под углом к ней.
3. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что часть канала на входе теплоносителя расположена под углом 15°…25° по отношению к продольной оси тепловыделяющей сборки и имеет длину, равную половине длины канала.
4. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что поперечное сечение канала для прохода теплоносителя имеет форму прямоугольника с высотой не более 2 мм и шириной 7…10 мм.
5. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора по п. 1, отличающаяся тем, что фильтр выполнен из нержавеющей стали типа Х18Н10Т с использованием аддитивной технологии.
