Тепловыделяющая сборка ядерного реактора

Полезная модель относится к атомной технике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок ядерного реактора. В тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, хвостовик и головку, причем дистанционирующие решетки соединены между собой и хвостовиком элементами, расположенными по длине тепловыделяющей сборки, а головка состоит из соединенных верхней и нижней плит, обечайки, расположенной между упомянутыми плитами, и пружинного блока, особенностью является то, что обечайка снабжена наружными ребрами, соединенными между собой по выступающим частям - ободом и по нижним частям - перфорированными пластинами. Реализация предлагаемого технического решения позволяет уменьшить длину головки за счет перемещения функционального узла головки - отбойной решетки на обечайку головки и за счет этого увеличить свободное пространство между пучком твэл и головкой с одновременным увеличением длины твэл, что позволяет увеличить загрузку в ТВС топлива с большей глубиной выгорания и, тем самым, увеличить мощность активной зоны реактора, а также продолжительность эксплуатации ТВС.

Полезная модель относится к атомной технике, в частности к конструкциям бесчехловых тепловыделяющих сборок (ТВС), из которых сформированы активные зоны водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), особенно типа ВВЭР-1000.

В конструкции ТВС основными узлами являются пучок тепловыделяющих элементов (твэл), головка и хвостовик.

Пучок твэл, как правило, состоит из твэлов, которые размещены в ячейках расположенных по длине ТВС дистанционирующих решеток (ДР), и соединяется с головкой и хвостовиком ТВС посредством различных конструктивных элементов.

Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является конструкция ТВС ядерного реактора, содержащая пучок твэлов, размещенный в расположенных по длине ТВС дистанционирующих решетках, хвостовик и головку, соединенные направляющими каналами, в которых перемещаются регулирующие стержни, причем направляющие каналы жестко соединены с хвостовиком, а их верхние части размещены в пружинном блоке головки (RU 2137223, G 21 C 3/32, публикация 1999 г.). В известной тепловыделяющей сборке хвостовик представляет собой конструкцию из опорной плиты и опорного стакана. Опорная плита предназначена для фиксирования и крепления нижних концевиков твэл, устанавливаемых в отверстия опорной плиты. Головка в данной ТВС выполнена съемной и состоит из пружинного блока, верхней плиты с обечайкой, центральной обечайки, нижней плиты с отбойной решеткой, при этом верхняя, нижняя плиты и центральная обечайка жестко соединены в единую конструкцию. Отбойная решетка нижней плиты головки защищает пучок твэл от воздействия соседних ТВС при перегрузке и ограничивает всплытие твэл в случае нарушения их закрепления в опорной плите

хвостовика.

Недостатками данного конструктивного решения является:

- расположение отбойной решетки в нижней части головки, что сокращает свободное пространство между пучком твэлов и головкой и не позволяет использовать топливо с большой глубиной выгорания из-за отсутствия необходимого пространства для радиационного роста твэл в процессе эксплуатации.

Технической задачей настоящей полезной модели является разработка и создание тепловыделяющей сборки ядерного реактора, обладающей улучшенными прочностными характеристиками и повышенными экономическими показателями.

В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в повышении прочности и надежности конструкции ТВС, увеличении загрузки топлива за счет увеличения длины активной зоны ТВС, повышении глубины выгорания топлива и увеличении продолжительности эксплуатации ТВС.

Поставленная задача с достижением указанных технических результатов решается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках, хвостовик и головку, причем дистанционирующие решетки соединены между собой и хвостовиком элементами, расположенными по длине тепловыделяющей сборки, а головка состоит из соединенных верхней и нижней плит, обечайки, расположенной между упомянутыми плитами, и пружинного блока, особенностью является то, что обечайка снабжена наружными ребрами, соединенными между собой по выступающим частям ободом и по нижним частям - перфорированными пластинами.

В частных вариантах на обечайке головки может быть закреплена посредством сварки конструкция из шести ребер, соединенных шестигранным ободом и шестью перфорированными пластинами, при этом

данная конструкция надежно защищает пучок твэл от воздействия соседних ТВС при перегрузках и ограничивает всплытие твэл в случае нарушения их закрепления в опорной плите хвостовика.

Соединяющие дистанционирующие решетки и хвостовик элементы могут быть выполнены в виде угловых пластин, на которых в пролетах между дистанционирующими решетками и хвостовиком выполнены путем штамповки ребра жесткости в виде отбортовок, отогнутых внутрь пучка в свободное пространство между периферийными твэлами, при этом ребра жесткости предотвращают деформирование угловых пластин в пролетах между ДР и ДР и хвостовиком. Предпочтительно если отбортовки отогнуты внутрь пучка под углом 90° к плоскостям угловых пластин.

Верхняя и нижняя плиты головки могут быть соединены между собой шпильками.

Для осуществления возможности определения фактической температуры теплоносителя на выходе из пучка твэл вместо части шпилек могут быть установлены трубки термоконтроля, позволяющие подводить теплоноситель с выхода из пучка твэл непосредственно к термометрам, подходящим к верхней части головки ТВС.

Хвостовик может состоять из опорной плиты и опорного стакана, соединенных пластинами.

Реализация предлагаемого технического решения позволяет повысить жесткость ТВС, уменьшить длину головки за счет перемещения функционального узла головки - отбойной решетки на обечайку головки и за счет этого увеличить свободное пространство между пучком твэл и головкой с одновременным увеличением длины твэл, что позволяет увеличить загрузку в ТВС топлива с большей глубиной выгорания и тем самым увеличить мощность активной зоны реактора, а также продолжительность эксплуатации ТВС.

Предлагаемое техническое решение поясняется графически.

На фиг.1 приведена принципиальная схема ТВС, на фиг.2 показана

угловая пластина с ребрами жесткости, на фиг.3 показано поперечное сечение А-А на фиг.2, на фиг.4 показан хвостовик ТВС с нижними концевиками твэл и направляющих каналов, на фиг.5 показана головка ТВС с верхними концевиками направляющих каналов, на фиг.6 показан вид Б на фиг.5, на фиг.7 показана обечайка головки, на фиг.8 показан вариант выполнения головки с трубками термоконтроля, на фиг.9 показан вариант выполнения ребер жесткости под углом 90° к плоскостям угловых пластин.

Тепловыделяющая сборка ядерного реактора (см. фиг.1) содержит пучок 1 тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в дистанционирующих решетках 2, соединенных между собой посредством сварки угловыми пластинами 3, хвостовик 4 и головку 5. Угловые пластины 3 посредством винтов 6 соединены с хвостовиком 4.

Угловые пластины 3 представляют собой уголковый профиль (см. фиг.2, 3, 9), на плоскостях 7 которого путем штамповки выполнены симметрично расположенные в пролетах между дистанцирующими решетками и хвостовиком ребра жесткости 8, отогнутые внутрь пучка 1 твэл. Для симметричного расположения ребер жесткости 8 между периферийными твэлами предпочтительно их выполнять под углом 90° к плоскостям 7 угловых пластин 3.

Хвостовик 4 (см. фиг.4) состоит из опорного стакана 9, опорной плиты 10, которые соединены между собой посредством сварки пластинами 11. Нижние заглушки 12 твэл за счет упругих элементов устанавливаются в отверстия опорной плиты 10 хвостовика 4.

Головка 5 (см. фиг.5, 6) состоит из пружинного блока 13, верхней плиты 14, обечайки 15 и нижней плиты 16, причем обечайка 15 соединена с верхней плитой 14 и нижней плитой 16, которые жестко соединены между собой шпильками 17. Пружинный блок 13 размещен внутри обечайки 15 и включает пружины сжатия. Направляющие каналы 18 жестко соединены с опорной плитой 10 хвостовика 4 и свободно проходят через плиты 14, 16. На верхних частях направляющих каналов 18 размещены пружины сжатия,

образуя пружинный блок 13. Посредством упоров 19, размещенных на концах направляющих каналов 18, верхние части направляющих каналов через пружинный блок 13 зафиксированы относительно верхней и нижней плиты 14, 16 головки 5, тем самым, соединяя составные части ТВС: головку 5 и пучок 1 с хвостовиком 4 в единую конструкцию.

Обечайка 15 (см. фиг.7) представляет собой цилиндр 20 с выполненным в нем отверстиями для прохода теплоносителя, к которому приварены шесть ребер 21, соединенные между собой посредством сварки по самым выступающим частям - шестигранным ободом 22 и в нижней части - шестью перфорированными пластинами 23, выполняющими функцию отбойной решетки. Торцы цилиндра 20 состыкованы соответственно с верхней и нижней плитами 14, 16 головки 5.

Вместо части шпилек 17 (см. фиг.8) в головке 5 могут быть установлены трубки термоконтроля 24, жестко соединенные посредством сварки с верхней плитой 14.

Предлагаемая тепловыделяющая сборка работает следующим образом.

После установки ТВС в реактор, она поджимается верхней плитой реактора путем упора в торец обечайки верхней плиты 14 головки 5. Затем усилие передается на пружинный блок 13, который поджимается на величину, рассчитанную таким образом, чтобы удержать ТВС от всплытия в потоке движущегося снизу теплоносителя; при этом головка 5 опускается на величину поджатия пружинного блока 13.

Далее усилие от нижних торцев пружин пружинного блока 13 через промежуточные втулки, упирающиеся в выступы верхних частей направляющих каналов 18, передается на направляющие каналы 18 и далее на опорную плиту 10 и через пластины 11 на опорный стакан 9 хвостовика 4, который входит в отверстие нижней плиты реактора.

Дистанционирующие решетки 2, соединенные между собой угловыми пластинами 3, образуют каркас, который посредством винтов 6 соединен с хвостовиком 4.

Теплоноситель, поступая в ТВС через входное отверстие опорного стакана 9 хвостовика 4, проходит через проливные отверстия опорной плиты 10 и далее омывает твэлы пучка 1, нагреваясь за счет контакта с поверхностью твэл. Твэлы, а с ними и каркас, нагреваясь за счет процесса ядерного деления внутри твэл, начинают удлиняться вверх за счет теплового и радиационного роста; при этом пучок 1 растет независимо от направляющих каналов 18, т.к. последние с гарантированным зазором проходят сквозь ячейки дистанционирующих решеток. Таким образом, пучок 1 с твэлами не оказывает воздействия на несущие силовую нагрузку направляющие каналы 18 и не деформируют их; таким образом за счет создания каркаса значительно повышается геометрическая стабильность формы ТВС в процессе работы.

В процессе работы ТВС твэлы увеличиваются в длине и начинают за счет радиационного роста занимать свободное пространство между пучком 1 и головкой 5. С целью увеличения свободного пространства между пучком 1 и головкой 5 в предлагаемой конструкции исключена отбойная решетка нижней плиты головки и ее функции перенесены на конструктивные элементы обечайки 15: обод 22 и перфорированные пластины 23.

Перфорированные пластины 23 через пазы, выполненные в них, пропускают теплоноситель для выхода его в коллектор реактора, а также ограничивают всплытие твэл в случае нарушения их целостности или закрепления в опорной плите 10 хвостовика 4.

Обод 22 наряду с пластинами 23 скрепляет между собой ребра 21 обечайки 15 и выполняет функцию защиты пучка 1 твэл от воздействия концевых деталей (хвостовиков) соседних ТВС при операциях загрузки-выгрузки ТВС из реактора.

Использование предлагаемой конструкция головки 5 позволяет увеличить свободное пространство между пучком 1 твэл и головкой 5 с одновременным увеличением длины твэл, что позволяет увеличить загрузку

в ТВС топлива с большей глубиной выгорания и тем самым увеличить мощность активной зоны реактора, а также продолжительность эксплуатации ТВС.

После отработки топлива ТВС выгружают из реактора.

Изготовление настоящей конструкции может быть осуществлено на известном оборудовании с использованием стандартных технологий.

1. Тепловыделяющая сборка ядерного реактора, содержащая пучок тепловыделяющих элементов и направляющих каналов, размещенных в соединенных друг с другом дистанционирующих решетках, хвостовик и головку, которая состоит из соединенных верхней и нижней плит, обечайки, расположенной между упомянутыми плитами, и пружинного блока, отличающаяся тем, что обечайка головки снабжена наружными ребрами, соединенными между собой по выступающим частям ободом и по нижним частям - перфорированными пластинами.

2. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что число ребер и пластин равно по шести, а обод выполнен шестигранным.

3. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что соединяющие дистанцирующие решетки и хвостовик соединены посредством угловых пластин.

4. Сборка по п.3, отличающаяся тем, что на угловых пластинах, в пролетах между дистанцирующими решетками и хвостовиком выполнены ребра жесткости в виде отбортовок, отогнутых внутрь пучка.

5. Сборка по п.4, отличающаяся тем, что отбортовки отогнуты внутрь пучка под углом 90° к плоскостям угловых пластин.

6. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что верхняя и нижняя плиты головки соединены между собой шпильками.

7. Сборка по п.6, отличающаяся тем, что вместо части шпилек установлены трубки термоконтроля.

8. Сборка по п.1, отличающаяся тем, что хвостовик состоит из опорной плиты и опорного стакана, соединенных пластинами.