BG61316B1 - Горивно устройство с дефлекторни лопатки за отделяне на част от флуидния поток, преминаващ през горивното устройство - Google Patents

Abstract

1. Горивно устройство с възможност за отделяне начаст от флуидния поток,преминаващ през него, съдържащо решетъчен елемент с напречен контур с шестоъгълна форма, определящ множество клетки за пръти сромбоидна форма и множество отсъединителни клетки най-общо с ромбоидна форма, множество дълги горивни пръти,успоредно подредени на разстояние един от друг, всеки от който преминава през съответната муклетка за пръти, множество удължени съединителни тръби, успоредно подредени на разстояние една от друга, всяка от които преминава през съответната й съединителна клетка, характеризиращ се с дефлекторна лопатка, прикрепена към всяка от клетките за пръти и неделимо свързана с решетъчния елемент, криволинейно частично издаваща се над съответната й клетка за пръти и наклонена спрямо флуидния поток заотделяне на част от него около горивните пръти.

Description

Настоящото изобретение се отнася до горивно устройство и по-специално до горивно устройство с дефлекторни лопатки за отделяне на част от флуидния поток, преминаващ през него, което може да бъде от вида, обикновено използван в активната зона на ядрения реактор.

Преди да се разгледа състоянието на техниката, полезно е най-напред накратко да се опише структурата и операциите в ядрения реактор, който съдържа множество ядрени горивни устройства. В това отношение ядреният реактор представлява устройство за получаване на топлина чрез управляемо ядрено делене на ядреното гориво в множество от наредени един до друг горивни пръти. Горивните пръти са събрани заедно чрез множество от пространствено разделени решетки, всяка от които има отворени клетки за приемане на всеки горивен прът и за получаване на предварително определено разстояние (стъпка) между съседните пръти. През други отворени клетки на всяка решетка се поемат кухи направляващи съединителни тръби за регулиращи пръти. Съединителните тръби плавно поемат подвижния абсорбер или регулиращите пръти, които контролират процеса на ядрено делене. Първата крайна и втората крайна част на всяка съединителна тръба се присъединяват към един накрайник в горния и в долния край, за да се осъществи неподвижна опора за горивното устройство. Комбинацията от горивни пръти, водещи съединителни тръби, решетки, горни и долни накрайници оформят конструкцията на едно типично горивно устройство от състоянието на техниката. Множеството от тези горивни устройства определя активната зона на ядрения реактор, която е херметично затворена в корпуса под налягане на реактора.

По време на действие на ядрения реактор поток от течен забавящ охладител (напр. деминерализирана вода) протича през корпуса под налягане около горивните пръти за подпомагане процеса на ядрено горене и за отнемане на топлината, получена при ядреното делене на ядреното гориво, съдържащо се във всеки горивен прът. В случая на типичен ядрен реактор с вода под налягане, скоростта на потока охладител, който се изтласква върху горивните пръти чрез охлаждащите помпи на реактора, може да бъде приблизително 18 фута в секунда за по-ефективно отнемане на топлината, получена в процеса на ядрено делене. По този начин топлината, отделена при деленето на ядрения материал, се предава от всеки от горивните пръти и следователно от всяко горивно устройство към течния забавящ охладител, обтичащ горивните пръти. Предадената топлина към течния забавящ охладител основно се пренася чрез охладителя в резервоара под налягане към турбогенератор за произвеждане на електрическа енергия по широко известен начин в областта на енергетиката. Както се пояснява по-долу, от гледна точка на безопасност е важно охладителят да отнема ефективно топлината, отделена от всеки горивен прът. Поради това нагрятата повърхност на всеки горивен прът трябва да бъде в контакт с охлаждащия агент, който има една предварително определена средна температура на охлаждане.

Известно е, че топлинният поток (т.е. степента на предаване на топлина от единица площ), перпендикулярен на нагрятата повърхност на горивния прът, се променя във функция от температурната разлика между тази на нагряваната повърхност на горивния прът и масата на охладителя. За да се прецени важността на връзката между топлинния поток и температурната разлика, следващото по-долу изложение описва начина, по който топлинният поток се променя във функция от температурната разлика между нагрятата повърхност на горивния прът и масата на охладителя. По време на пускане на реактора се допуска разликата между температурите на повърхността на горивния прът и обема на охладителя да нарасне, при което топлината ще се предава от нагрятата повърхност към охладителя чрез еднофазова конвекция, при което топлинният поток нараства. Тъй като разликата между температурата на повърхността на горивния прът и средната температура на охладителя нараства по-нататък, температурата на нагряваната повърхност евентуално надвишава температурата на насищане (т.е. температурата на наситената пара при съществуващото налягане в активната зона на ядрения реактор), при което върху нагрятата повърхност се образуват мехурчета пара и се получава “ядрено кипене” върху нагряваната повърхност.

AWW·»*·»·* .

при което бързо нараства топлинният поток. Един максимален топлинен поток се получава, когато мехурчетата са с достатъчна плътност, свързват се и оформят едно филмово покритие от пара върху нагряваната повърхност. Но това филмово покритие от пара ще действа като топлинен изолатор, тъй като парата забавя (задържа) предаването на топлина. Тази точка на максимален топлинен поток, при който се оформя филмово покритие от пара върху нагряваната повърхност, обикновено се приема в състоянието на техниката като отделяне от ядрено кипене (Departure from Nucleate Boiling - DNB) и трябва да се избягва от съображения за безопасност. Следователно, ако се допусне разликата между температурата на повърхността и температурата на охладителя да нарасне по-нататък даже с минимално количество над максималния топлинен поток (DNB), топлинният поток ще намалее значително бързо, въпреки че температурата на нагрятата повърхност нараства. В тази точка филмовото покритие от пара върху горивния прът става неустойчиво в смисъл, че постоянно се прекъсва и се оформя отново, така че да се получава частично кипене. Ако се допусне разликата между температурата на повърхността и средната температура на охладителя да се увеличи по-нататък, топлинният поток отново нараства и се получава стабилно (устойчиво) кипене на покритието от пара. Но ако с кипенето на покритието (или частично, или постоянно) се получат големи топлинни потоци, температурата на нагрятата повърхност на горивния прът може да стане достатъчно висока, за да повреди горивния прът (наричано в състоянието на техниката като “изгаряне”) и това трябва да се избягва от съображения за безопасност. Известно е, че ако реакторът действа така, че се получава ядрено кипене близо до DNB, относително малко нарастване на топлинния поток ще предизвика относително бърза промяна за кипене на покритието, което може да доведе до “изгаряне”. Следователно благоразумно е да се управлява ядреният реактор така, че най-високият топлинен поток да бъде по-малък от максималния топлинен поток, съпровождащ DNB, така че да се постигне възможно най-голямо отделяне на топлина без риск от повреда на горивния прът.

Както е обяснено по-горе, може да се оформи покритие от парни мехурчета върху нагряваната повърхност на горивния прът, за да се получи кипене. Но покритието от пара ще действа като топлинен изолатор, тъй като 5 парата препятства предаването на топлина и може да доведе до DNB, което на свой ред да доведе до повреда на горивния прът. Следователно е желателно да се поддържа едно покритие от течен охладител от една фаза, за да се 10 повиши предаването на топлина от горивния прът към охладителя, за избягване на DNB. Следователно един проблем от състоянието на техниката е да се поддържа едно покритие от течен охладител от една фаза върху повърх15 ността на горивния прът, за да се увеличи предаването на топлина от горивния прът към охладителя, за да се избегне DNB.

При увеличаване на предаваното количество топлина от горивните пръти към охла20 дителя при избягване на DNB, нараства максимално допустимият топлинен поток, получаван от дадена активна зона на ядрен реактор с определени размери. Това е желателно, тъй като нарастването на максимално допус25 тимия топлинен поток, получаван от дадена активна зона на ядрен реактор с определени размери, увеличава максимално получаваната в активната зона на реактора мощност. Поради това топлообменът между горивните пръти и 30 охладителя може да се увеличи чрез нарастване скоростта на потока на охладителя през горивните пръти. Но нарастването на скоростта на потока на охладителя би изисквало по-големи и по-скъпи помпи за охлаждане на реак35 тора. Поради това друг проблем в тази област е по-ефективно да се увеличи топлообменът между горивните пръти и охладителя, без да се изискват по-големи и по-скъпо струващи помпи за охлаждане на реактора.

Поддържането на едно филмово покритие от охлаждаща течност от една фаза върху повърхността на горивния прът за увеличаване на предаването на топлина от горивния прът към охладителя при избягване на DNB по та45 къв начин, че да не се налага използването на по-големи охлаждащи помпи, в последно време е от голямо значение, тъй като конструкцията на някои от действащите ядрени реактори изисква споменатите горивни пръти да бъдат 50 подредени в плътна (компактна) решетка с триъгълна стъпка, вместо с по-традиционните, но с по-малка плътност квадратна клетка на решетката. По този начин в някои конструкции на ядрени реактори, горивните устройства, включващи горивните пръти, могат да имат шестоъгълно напречно сечение за подходящо постигане на т.н. “dense-pack” решетка с триъгълна стъпка. Горивните пръти, подредени като една решетка с триъгълна стъпка, постигат една по-висока средна плътност на топлинния поток от ядрен реактор с дадени размери в сравнение с горивни пръти, подредени по традиционния начин на решетка с квадратна стъпка. Постигането на една по-висока средна плътност на топлинния поток, като се използва “dense-pack” горивни устройства е желателно от гледна точка на икономичност, тъй като при такива горивни устройства се получава повече полезна мощност за единица обем на ядрения реактор, което на свой ред увеличава възвръщаемостта на инвестициите. Но, както е посочено по-горе, по-големият топлинен поток увеличава риска от DNB и поради това не е желателен от съображения за безопасност. Следователно е много важно такова горивно устройство да охлажда адекватно компактно свързаните горивни пръти в него, така, че да се избегне DNB, като същевременно се получава един поголям топлинен поток за единица обем на ядрения реактор.

Известни са горивни устройства, използвани в ядрените реактори. Такова горивно устройство е описано в US 3 787 285, публикуван на 22.01.1974 г., “Горивно устройство за ядрен реактор и активна зона на ядрен реактор, съдържащо такова горивно устройство” от Jorgen Marstrand. В този патент е описано горивно устройство с направляващи лопатки, осите на които са успоредни на горивните пръти и предават вихрообразно движение на протичащия покрай лопатките охладител, за да се предотврати по-висока плътност на енергийния поток. Горивните пръти са подредени в шестоъгълни клетки, така че външният контур на горивното устройство е с шестоъгълна форма. Множество от лопатки са така разположени и под такъв наклон спрямо една централна ос, че потокът флуид през горивните елементи преминава по общ спираловиден път около централната ос. Въпреки че този патент разкрива горивно устройство с шестоъгълна форма на външния контур и множество от направляващи лопатки, в него не е показано горивно устройство, включващо дефлекторни лопатки за отделяне на част от флуидния поток, преминаващ през горивното устройство, описано по-долу.

Освен това, въпреки че цитираният па5 тент разкрива горивно устройство, подходящо за използване в активната зона на ядрен реактор, той не описва горивно устройство с дефлекторни лопатки за отделяне на част от флуидния поток, преминаващ през горивното устройство, както е по-долу.

Следователно тук се описва горивно устройство, съдържащо дефлекторни лопатки за отделяне на част от флуидния поток, преминаващ през горивното устройство. Последното съдържа решетъчен елемент клетки за пръти с форма на ромб и съединителни клетки около тях най-общо с форма на ромб. Множество от успоредни горивни пръти преминават през съответните клетки за пръти и множество от успоредни направляващи съединителни тръби за регулиращите пръти преминават през съответните съединителни клетки. Множество от дефлекторни лопатки са свързани към всяка клетка от пръти и са неделимо присъединени към нея откъм долния край на потока на всяка клетка за пръти. Всяка дефлекторна лопатка със закривена форма се разпростира над съответната й клетка за пръти и частично се издава над нея за отделяне на част от флуидния поток по външната повърхност на горивния прът, който е разпрострян през клетката за пръти. Дефлекторната лопатка и ромбоидната форма на всяка клетка за пръти съдействат за създаване на един вихър, центриран спрямо надлъжната ос на горивния прът, за да се поддържа протичането на флуид главно от една фаза по протежение на външната повърхност на горивния прът, така че да се избегне възникването на DNB, даже при наличието на потоци с висока температура през външната повърхност на горивния прът.

Горивната решетка съгласно настоящото изобретение се пояснява по-подробно от следващото описание и приложените фигури, от които:

фигура 1 представлява частичен вертикален разрез на резервоар под високо налягане на ядрен реактор, частично иорен за яснота, като в него се намират горивни устройства съгласно изобретението. Всяко от горивните устройства съдържа множество от го10 ривни пръти и направляващи съединителни тръби за регулиращите пръти;

фигура 2 - частичен вертикален разрез на едно от горивните устройства;

фигура 3 - фрагмент от вертикален разрез на един решетъчен елемент за поддържане на горивните пръти и съединителните тръби;

фигура 4 - изглед на решетъчен елемент по сечението на линия 4 - 4 от фигура 2;

фигура 5 - изглед в перспектива на първа и втора вътрешна лента на решетъчен елемент, които са взаимно захванати и имат дефлекторни лопатки неподвижно закрепени за тях;

фигура 6 - частичен изглед в перспектива на решетъчния елемент със съединителна тръба и горивен прът, преминаващ през него, като горивният прът и съединителната тръба са показани с пунктирни линии;

фигура 7 - частичен изглед на вътрешната част на решетъчен елемент по сечението на линия 7 - 7 от фиг.З;

фигура 8 - вертикален разрез на една от дефлекторните лопатки, като е показано направлението на отклонения флуиден поток, отделян от дефлекторната лопатка;

фигура 9 - разрез отстрани на дефлекторна лопатка по сечението на линия 9 - 9 от фиг.8;

фигура 10 - изглед на една от клетките за пръти, като е показано направлението на вихровия флуиден поток около горивния прът, преминаващ през клетката за пръти.

В един типичен ядрен реактор топлината, отделена по време на делене на ядреното гориво, съдържащо се в горивните пръти, се предава от горивните пръти към течния забавящ охладителен агент, който ги обтича. От съображения за безопасност е важно ефективното отстраняване на топлината, отделяна от всеки горивен прът, така че да бъде избягнато DNB. Съгласно изобретението такова ефективно отстраняване на топлината от повърхността на горивния прът се постига чрез закриване на дефлекторните лопатки на едно горивно устройство, което включва горивните пръти.

Преди да се опише същността на настоящото изобретение, най-напред накратко са представени устройството и действието на един типичен ядрен реактор.

На фиг.1 е изобразен един типичен ядрен реактор 10 за произвеждане на топлина чрез управляемо ядрено делене на ядрено го20 риво 150 (виж фиг.2). Както е показано на фиг.1, реакторът 10 включва един корпус на резервоар под налягане 20 с отворен горен край и множество от входни щуцери 30 и изходни 5 щуцери 40, свързани с него (показани са само по един щуцер). Затварящ капак 50 е монтиран на горния край на корпуса 20, така че да го затваря. Затвореният по този начин корпус 20 позволява създаване на подходящо налягане 10 на охладителния агент във вътрешността на ядрения корпус 20, когато реакторът 10 е в действие.

На фиг.1 в корпуса под налягане 20 е показана и активната зона на ядрения реак15 тор 60, съдържаща ядрено гориво 150. През върха на затварящия капак 50 са разположени множество задвижващи валове 70 на регулиращите пръти. Всеки задвижващ вал 70 е свързан с множество регулиращи пръти 80 (виж фиг.2) за управление на процеса на делене в активната зона на ядрения реактор 60 по известни методи от областта на ядрената енергетика. Както е показано на фиг. 1, от вътрешната страна на корпуса 20 на реактора са разположени хоризонтални горни реакторни плочи 90 и отделени от тях хоризонтални долни реакторни плочи 100. Всяка от горните 90 и долните 100 реакторни плочи имат множество отвори 110 за напречно преминаване на охлаждащия агент, отстраняващ топлината, отделена в процеса на делене на ядреното гориво 150.

По време на действие в активната зона на ядрения реактор 10, регулиращите пръти 80 са най-малко частично изтеглени от активната зона 60 чрез задвижващия вал 70, за да се поддържа верижната ядрена реакция. Когато започне отделяне на топлина от активната зона 60, един поток от течен забавящ охладителен агент (напр.деминерализирана вода) преминава през входния щуцер 30 и циркулира през активната зона 60 най-общо във вертикална посока, показана на фиг.1 с вертикални стрелки. Течният забавящ охладителен агент подпомага процеса на ядрено делене чрез забавяне на неутроните в активната зона 60 и също така отстранява топлината, отделена в процеса на ядрено делене. Течният забавящ охладителен агент напуска ядрения реактор 10 през изходния щуцер 40, от където чрез тръба се транспортира към топлообменник (непоказан) за получаване на пара.След това парата се отвежда към турбогенератор (непоказан) за произвеждане на електроенергия по начин, доб' ре известен в областта на ядрената енергетика.

На фиг.2 е показано горивното устройсi тво съгласно настоящото изобретение, с дефлекторни лопатки за отклоняване на част от флуидния поток, преминаващ през горивното ’ устройство, както е по-подробно описано и за , което се претендира по-долу. Горивното устройство, общо обозначено със 120, съдържа множество продълговати и в общия случай цилиндрични горивни пръти 130 успоредно подредени на разстояние един от друг. Всеки горивен прът 130 на свой ред съдържа куха и в общия случай цилиндрична метална обвивка или армировка 140 за херметично затваряне на множество в общия случай цилиндрични таблетки с гориво 150, от които се генерира топлина при процеса на ядрено делене. Обвивките 140 имат вътрешен диаметър 160 и външен диаметър 170 и могат да бъдат изготвени от какъвто и да е подходящ метал с относително малко микроскопично сечение за улавяне на неутрони, като например “ZIRCALOY-4”. Тегловно “ZIRCALOY-4” е съставен от приблизително 1,5 тегл.% калай, 0,12 тегл.% желязо, 0,09 тегл.% хром, 0,05 тегл.% никел и 98,24 тегл.% цирконий. Всяка горивна таблетка е изготвена от материал от ядрено гориво, съдържащ делими ядра, като U-235 (уран 235) равномерно диспергирани в матрица от възпроизвеждащи се ядра като U-238 (уран 238) за генериране на топлина в процеса на ядрено делене. Понататък горивното устройство 120 съдържа първи накрайник или първа анкерна плоча 180 със сечение на правилен шестоъгълник с горна част 190 и долна част 200. Първата анкерна плоча 180 има множество пробити напречни отвори 205 (от които е показан само един) поради причини, описани по-горе. Чрез притискащи закрепващи скоби или винтове 210 към горната част 190 на първата анкерна плоча 180 е свързана гъвкава закрепваща пружина 220. Закрепващата пружина 220 е издадена над горната част 190 на първата анкерна плоча 180 за подпиране на горната реакторна плоча 90, така че първата анкерна плоча 180 и чрез нея горивното устройство 120, да бъдат отместени спрямо долната реакторна плоча 100, тъй като горивното устройство 120 е вертикално разположено между тези реакторни плочи. Изместването на горивното устройство 120 надолу преί

I дотвратява издигането му от долната реакторна плоча 100, което в противен случай може да се получи по време на хидравличния натиск, оказан от потока на течния охлаждащ флуид, който протича през активната зона на ядрения реактор 60 най-общо нагоре по същото направление на оста на потока. Коаксиално центриран със и разделен от първата анкерна плоча 180 е втори накрайник или втора анкерна плоча 230, която може да бъде със сечение на правилен шестоъгълник. Втората анкерна плоча 230 има множество издадени навън пети (опори) 240, монолитно оформени с нея за поставяне на горивното устройство 120 в предварително определено положение на долната реакторна плоча 100. Втората анкерна плоча 230 има множество отвори 250 (показан е само един) поради причини, описани по-долу.

Съгласно фиг.2 към горната част 190 на първата анкерна плоча 180 е свързан задвижващ вал 70 с радиално разположени рамена 260 поради следното: през отвора 205, с възможност за плъзгане, минава продълговат прът от абсорбер на неутрони или регулиращ прът 270 за управление на процеса на ядрено делене в горивното устройство 120, като този прът 270 е свързан с всяко рамо 260. Регулиращите пръти 270, които са разположени навън през долната част 200 на първата анкерна плоча 180, са подредени успоредно на разстояние един от друг. Всеки регулиращ прът е направен от подходящ материал, например В₄С (боров карбид), с относително голямо микроскопично сечение за улавяне на неутрони. Освен това всеки регулиращ прът 270 е оразмерен така, че да се подава плавно в една продълговата, най-общо с цилиндрична форма направляваща съединителна тръба за регулиращи пръти 280, която е издадена навън от долната част 200 на първата анкерна плоча 180. Всяка съединителна тръба 280 има първа крайна част 290 и втора крайна част 300 и вътрешен диаметър 315 и външен диаметър 320. Първата крайна част 290 на всяка съединителна тръба 280 се подава през съответния отвор 205 на първата анкерна плоча 180 и се закрепва към нея чрез деформация или заваряване. Освен това втората крайна част 300 на всяка съединителна тръба 280 се подава в съответния й отвор 250 във втората анкерна плоча 230 и се закрепва към нея чрез винт (непоказан) или чрез заваряване. По този начин първата анкерна плоча 180 и втората анкерна плоча 230 са свързани една с друга чрез съединителните тръби 280, за да се получи устойчива и структурно единна конструкция на горивното устройство 120.

Съгласно фиг.2, 3, 4, 5 и 6 между първата 180 и втората анкерна плоча 230 коаксиално са разположени множество центрирани решетъчни елементи 310, които са разделени по дължината на оста на съединителните тръби 280 и горивните пръти 130, за да ги поддържат в предварително определена конфигурация на пространствено разделена система. Всеки решетъчен елемент 310 може да бъде направен от “ZIRCALOY-4” или друг подобен материал поради по-горе обяснените причини за икономия на неутрони. Всеки решетъчен елемент 310 съдържа външна лента 320 със сечение на правилен шестоъгълник, която е разположена с ръбовете към флуидния поток. Следователно външната лента 320 има шест неделимо свързани удължени странични стени 330, всяка от които е разположена под предварително определен тъп ъгъл спрямо съседната й, при което се определя правилно шестоъгълно сечение на външната лента 330. С ръбовете към флуидния поток и напречно на вътрешността на външната лента 320 са разположени множество продълговати и успоредни първи вътрешни ленти 340, всяка от които има предварително определена дължина. Всяка първа вътрешна лента 340 има първа крайна част 350, неделимо прикрепена към една вътрешна стена, например вътрешната стена 374 на външната лента 320, и втора крайна част 360, неделимо прикрепена към друга вътрешна стена, например вътрешната стена 377 на външната лента 320, така че всяка първа вътрешна лента 340 е успоредна на една предварително избрана странична стена 330 поради причини, разкрити по-долу. Освен това с ръбовете към флуидния поток и напречно на вътрешността на външната лента 320 са разположени множество продълговати и успоредни втори вътрешни ленти 370, всяка от които има предварително определена дължина. Аналогично всяка втора вътрешна лента 370 има една първа крайна част 380, неделимо прикрепена към другата вътрешна стена на външната лента 320, и втора крайна част 390, неделимо прикрепена към друга вътрешна стена на външна50 та лента 320, поради причини, изложени подолу. Всяка втора вътрешна лента 370 се пресича и се зацепва с всяка първа вътрешна лента 340 в една равнина на пресичане 400, за да се 5 получи решетъчен елемент 310 с форма на пчелна пита. Свързаните по този начин първа вътрешна лента 340 и втора вътрешна лента 370 се закрепват неделимо една с друга, например чрез заварка 402.

В предпочитаното изпълнение на настоящото изобретение всяка втора вътрешна лента 370 пресича всяка първа вътрешна лента 340 под ъгъл ф от приблизително 29° спрямо първата вътрешна лента 340 за определяне на 15 едно множество от клетки за пръти с ромбоидна форма 410 и едно множество от съединителни клетки 420 с най-общо ромбоидна форма в решетъчния елемент 310. Първата вътрешна лента 340 има множество напречни про20 рези 404 перпендикулярни към и простиращи се от ръба откъм долната част на потока на първата вътрешна лента 340 до приблизително надлъжната ос (т.е. до средата) на първата вътрешна лента 340. Освен това втората вът25 решна лента 370 има множество напречни прорези 406 перпендикулярни към и простиращи се от ръба откъм горната част на потока на втората вътрешна лента 370 приблизително до надлъжната ос (т.е. до средата) на втората вът30 решна лента 340. Целта на прорезите 404, 406 е да се осигури средство за взаимно свързване и зацепване на първата вътрешна лента 340 и на втората вътрешна лента 370. По този начин всеки прорез 404, разположен на ръба от35 към долната страна на потока на всяка първа вътрешна лента 340 се позиционира така, че да съвпадне със съответния му прорез 407, оформен на ръба откъм долната страна на потока на втората вътрешна лента 370. Аналогич40 но всеки прорез 407, разположен на ръба откъм долната страна на потока на всяка втора вътрешна лента 370 се позиционира така, че да съвпадне със съответния му прорез 404, оформен на ръба откъм долната страна на по45 тока на първата вътрешна лента 340. По този начин всяка първа вътрешна лента 340 и всяка втора вътрешна лента 370 са взаимно свързани и зацепени, при което конструкцията на решетъчния елемент 310 се оформя като пчелна пита. Тази форма на конструкцията на решетъчния елемент 310 му осигурява максимална структурна цялостност при минимално тегло.

Трябва да се отбележи, че терминът “от долната страна на потока” тук означава този край, който е надолу към флуидния поток в активната зона на ядрения реактор 60, а терминът “ от горната страна на потока” тук означава този край, който е от горната страна на флуидния поток.

Следователно първата вътрешна лента 340 и втората вътрешна лента 370 са зацепени, когато прорезът на ръба откъм горната страна на потока 406 на всяка втора вътрешна лента 370 съвпада с прореза 404 на всяка първа вътрешна лента 370 и обратно. Когато първата вътрешна лента 340 и втората вътрешна лента 370 са захванати по този начин, всяка първа вътрешна лента 340 пресича всяка втора вътрешна лента 370 в равнина на пресичане 400 под предварително определен ъгъл Ф, който е приблизително 29°, както най-добре се вижда на фиг.5, при което се определя ромбоидна форма на клетките за пръти 410. Това е важно, тъй като когато горивните пръти 130 преминават през съответните им клетки 410, те получават триъгълна конфигурация, за да се получи максимална плътност на горивното устройство 120.

Както най-добре се вижда на фиг.4 всеки горивен прът 130 е разположен през съответната клетка 410 и има надлъжна централна ос най-общо успоредна на оста на флуидния поток. Освен това всяка съединителна тръба 280 е разположена през съответната клетка 420 и има надлъжна ос най-общо успоредна на оста на флуидния поток. По този начин с позоваване на фиг.4 се разбира, че всеки регулиращ прът 270 е заобиколен от съответните горивни пръти 130 за правилно управление на процеса на ядрено делене в горивните пръти 130.

Съгласно фиг.6 и Ί всяка съединителна тръба 280 чрез съответна механична обработка и/или чрез заваряване е закрепена към съответната й клетка 420 за фиксиране на всеки решетъчен елемент 310 в предварително определено положение по протежение на надлъжната ос на горивното устройство 120. Освен това откъм вътрешността на стените на всяка клетка за пръти 420 са оформени изпъкнали навътре или подаващи се от там едно множество от еластични елементи 430 за фрикционно поддържане и задържане на всеки горивен прът 130 към съответната му клетка 410, така че горивният прът 130 да не се движи осово, стра20 нично или да се завърта по време на нормална работа и да се получат аварийни ситуации в активната зона на ядрения реактор 60. Всеки еластичен елемент 430 е разположен под ос5 тър ъгъл, който може да бъде приблизително 45° спрямо първи еластичен вълнообразен елемент 440 и втори еластичен вълнообразен елемент 450, които са коаксиално центрирани и са оформени откъм вътрешната страна на всяка 10 клетка за пръти 420. Вълнообразните елементи 440, 450 фрикционно поддържат всеки горивен прът 130. В предпочитаното изпълнение на изобретението първият вълнообразен елемент 440 е разположен от горната страна 15 на охлаждащия поток, а вторият вълнообразен елемент 450 е разположен от долната страна на охлаждащия поток. Следователно от горното описание е ясно, че всеки горивен прът 130 се подкрепя и държи в съответната си клетка 410 в шест точки на зацепване или контакт, тъй като четири вълнообразни елементи и два еластични елемента са издадени навън във всяка клетка за пръти 410 за фрикционно захващане на всеки горивен прът 130.

Съгласно фиг. 5, 6, 7, 8 и 9 откъм горната страна на потока на всяка първа вътрешна лента 340 и на всяка втора вътрешна лента 370 са неделимо прикрепени и са свързани с всяка клетка за пръти 410 дефлекторни средства- едно множество от разделени дефлекторни лопатки 460 за отделяне на част от флуидния поток около всеки горивен прът 130, който е разположен през съответната му клетка 410. Всяка дефлекторна лопатка 460 е закривена спираловидно, разположена е над и частично покрива съответната й клетка за пръти 410, за да се получи вихрово движение на флуидния поток, преминаващ през клетките за пръти 410, при което флуидният поток се завърта около надлъжната ос на горивния прът 130. В предпочитаното изпълнение на изобретението множеството от дефлекторни лопатки 460 представлява двойка дефлекторни лопатки 460, монтирани към всяка клетка за пръти 410. Всяка дефлекторна лопатка 460 има спираловидно закривена долна повърхност 470, за да се получи по-горе споменатото завихряне. Дефлекторната лопатка 460 може да бъде закривена навън от горния ръб на вътрешните пластини 340, така че да се оформи един остър ъгъл спрямо направлението на флуидния поток. Двете дефлекторни лопатки 460 са противоположно ориентирани една спрямо друга, така че създадените от тях две завихряния не са с противоположни посоки едно спрямо друго. Избягването на такова противоположно течение предотвратява прекъсването на спираловидното завихряне и позволява да се получи желаният вихър, който се издига спираловидно нагоре по външната повърхност на горивния прът 130. По този начин, когато първата вътрешна лента 340 и втората вътрешна лента 340 са правилно захванати, както беше описано по-горе, всяка клетка за пръти 410 има свързани две дефлекторни лопатки 460. Наличието на две дефлекторни лопатки осигурява част от флуидния поток, протичащ около надлъжната ос на всеки горивен прът 130, да има по-голямо завъртащо действие в сравнение с това, ако има само една дефлекторна лопатка. Всяка от двете дефлекторни лопатки 460 е разположена над и частично покрива съответната й клетка за пръти 410 за отделяне на част от флуидния поток, протичащ нагоре през клетката за пръти 410. Поради това долната повърхност 470 на всяка дефлекторна лопатка 460 се извива нагоре от ръба откъм горната част на потока на първата вътрешна лента 340 или втората вътрешна лента 370 на предварително определено разстояние над клетката за пръти 410 и е издадена навътре над нея за промяна на посоката на флуидния поток, което е показано със стрелки на фиг.8. Освен това двете дефлекторни лопатки, свързани с всяка клетка за пръти 410, са разположени така, че една от двете дефлекторни лопатки е достатъчно близо до всеки краен ъгъл на клетката за пръти 410. По този начин двете дефлекторни лопатки 460 са симетрично разположени по най-дългия диагонал на клетката за пръти 410. Освен това всяка първа и втора вътрешна лента 370 може да има множество от отделни заваръчни пъпки 473, неделимо свързани към и издадени навън от долната страна на потока на всяка втора вътрешна лента 370, като са успоредни на флуидния поток. Заваръчните пъпки 473 служат за осигуряване на материал за заваряване на първата и втората вътрешни ленти 340 и 370, след като те са правилно зацепени. Освен това външната лента 330 може също да съдържа едно множество от разделени и наклонени навътре ушенца 475, които са неделимо свързани към и са издадени откъм долната страна на потока за по-лесно плъзване на първо горивно устройство 120 покрай второ горивно устройство 120 по време на повторно зареждане с гориво. По този начин първото горивно уст5 ройство 120 няма да “задере” или да “закачи” второто горивно устройство. Освен това външната лента 330 може да съдържа множество от разделени и закривени навътре дефлекторни ребра 477 за отделяне на част от флуидния 10 поток, протичащ около горивните пръти 130, разположени по протежение на вътрешната периферия на външната лента 330. Всяко дефлекторно ребро 477 има най-общо пирамидален външен контур и е монолитно свързано в 15 основата си към ръба откъм горния край на потока на външната лента 330 и се издава над, частично покривайки съответната клетка за пръти 410.

По време на действие на реактора 10 потокът от течен забавящ охладителен агент навлиза през входния щуцер 30 и протича найнапред в посока, показана с хоризонтални стрелки на фиг. 1. След това потокът се принуждава да премине през отворите 110 и през всяко горивно устройство 120, разположено в активната зона на ядрения реактор 60, като посоката на потока е показана на фиг.1 с вертикални стрелки. След като премине активната зона на ядрения реактор 60, флуидният поток напуска реактора 10 през изходния щуцер 40 в направление, показано на фиг. 1 с другите хоризонтални стрелки.

Тъй като флуидният поток преминава през активната зона на ядрения реактор 60, той преминава през всяка клетка за пръти с ромбоидна форма 410, определена от решетъчния елемент 310. При това скоростта на флуидния поток намалява и се получава падане на налягането поради съпротивлението, оказано от решетъчния елемент, разположен напречно на флуидния поток. Това падане на налягането може да доведе до ядрено кипене по външната повърхност на горивния прът 130 в областта, обхваната от клетката за пръти 410. Ако няма дефлекторни лопатки 460 и ако топлината, генерирана от горивния прът 130, е достатъчно висока, може да се получи частично или плътно филмово покритие (т.е. DNB) по повърхността на пръта 130, което води до така нареченото “изгаряне”, което е нежелателно от съображения за безопасност. Поради това дефлекторнитс лопатки 460 служат за от деляне на част от флуидния поток спираловидно навътре към външната повърхност на горивния прът 130, за да се избегне частичното или плътно филмово покритие. Даже в случай на шестоъгълна решетка с триъгълни клетки 5 дефлекторните лопатки 460 подобряват DNB и температурния режим. Подобрените характеристики на DNB водят до приблизително 25 % повишаване на температурната ефективност на горивните пръти в сравнение със съществува- 10 щите конструкции на шестоъгълни решетки с триъгълни клетки, но без дефлекторни лопатки или дефлекторни ребра.

Ромбоидното сечение на всяка клетка за пръти 410, заедно със закривената долна по- 15 върхност 470 на всяка дефлекторна лопатка 460, съдейства за генериране на вихрово движение, така че да бъде избягнато DNB. В този случай ромбоидната форма на всяка клетка за пръти 410 има намалена повърхност на об- 20 тичане от флуидния поток в сравнение с квадратната форма на клетките за пръти или с още по-традиционните конструктивни изпълнения на активната зона на реактора. Следователно поради намалената повърхност на обтичане на 25 клетката за пръти 410, която се дължи на ромбоидната й форма, по-голяма част от флуидния поток, протичащ нагоре през нея, е принуден да влезе в съприкосновение с долната повърхност 470 на всяка дефлекторна лопатка 30 460, когато флуидният поток излиза от клетката за пръти 410. От това следва, че тъй като по-голяма част от флуидният поток контактува с долната повърхност 470 на дефлекторната лопатка 460, по-голяма част от него ще бъде 35 отделена, отколкото в традиционното подреждане с квадратни клетки. На свой ред това води до получаване на по-дълго завихряне за поддържане на флуидния поток по външната повърхност на горивния прът 130 предимно в ед- 40 на фаза, за да се избегне DNB.

Освен това клетките за пръти 410 с ромбоидна форма, принадлежащи на решетъчния елемент 310, в комбинация с дефлекторните лопатки 460, съществено намаляват необходимос- 45 тта от по-големи и по-скъпи охлаждащи помпи за ядрения реактор, за да се увеличи скоростта на флуидния поток, който да се поддържа предимно в една фаза около външната повърхност на горивните пръти 130. Това е така, защото 50 вихрите, образувани от всяка клетка за пръти 410 и съответните й дефлекторни лопатки 460, увеличават флуидния поток около външната повърхност на всеки горивен прът 130.

Нещо повече, клетките за пръти с ромбоидна форма 410 позволяват при триъгълна стъпка на горивните пръти да се получи подреждане с намалено разстояние между центровете на съседните горивни пръти 130 в сравнение с по-традиционните квадратни форми на подреждане. Това позволява по-плътно подреждане, за да се получи по-голяма производителност на реактора при определени размери. Това е желателно, тъй като при една по-плътно подредена активна зона на реактора се получава повече произведена енергия за единица обем, което на свой ред води до нарастване на възвръщаемостта на вложените инвестиции.

От горното описание е ясно, че дефлекторните лопатки 460 принуждават по-студения охлаждащ агент да се смесва съответно с по-топлия флуид около повърхността (т.е.външния диаметър 170) на всеки горивен прът 130, така, че температурната разлика между охлаждащия агент и флуида около повърхността на горивния прът се минимизира. Това води до получаване на предимно една фаза на течността около повърхността на горивния прът и следователно до избягване на DNB.

Claims (8)

1. Патентни претенции

   1. Горивно устройство с възможност за отделяне на част от флуидния поток, преминаващ през него, съдържащо:

   решетъчен елемент с напречен контур с шестоъгълна форма, който определя множество от клетки за пръти с ромбоидна форма и множество от съединителни клетки с найобщо ромбоидна форма;

   множество от дълги горивни пръти, успоредно подредени на разстояние един от друг, всеки от които преминава през съответната му клетка за пръти;

   множество от удължени съединителни тръби, успоредно подредени на разстояние една от друга, всяка от които преминава през съответната й съединителна клетка, характеризиращ се с дефлекторна лопатка, прикрепена към всяка от клетките за пръти и неделимо свързана с решетъчния елемент, криволинейно частично издаваща се над съответната й клетка за пръти и наклонена спрямо

   4* .--ΛΑ.*5ν..« -J.V;--x»-.»r я‘'йл-С« ·ν*#-·-. ^^.У-.1«ха*.'Лга^.5?.Ч4«. --»Λ-.λ-«ιΜΛ«;

   флуидния поток за отделяне на част от него около горивните пръти.
2. 2. Горивно устройство съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че съдържа втора дефлекторна лопатка, прикрепена към всяка от клетките за пръти и неделимо свързана с решетъчния елемент, криволинейно частично издаваща се над съответната й клетка за пръти и наклонена спрямо флуидния поток за отделяне на част от него около всеки горивен прът.
3. 3. Горивно устройство съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че горивният поток има ос на потока, а горивното устройство съдържа:

   а) решетъчен елемент, включващ (i) външна лента с шестоъгълен контур, разположена с ръбовете към флуидния поток;

   (й) множество от първи вътрешни ленти, разположени с ръбовете към флуидния поток, като всяка от първите вътрешни ленти е прикрепена към вътрешната страна на външната лента;

   (iii) множество от втори вътрешни ленти, разположени с ръбовете към флуидния поток, като всяка от вторите вътрешни ленти е прикрепена към вътрешната стена на външната лента и всяка от вторите вътрешни ленти пресича всяка от първите вътрешни ленти под ъгъл за определяне на едно множество от клетки за пръти с ромбоидна форма и едно множество от съединителни клетки с най-общо ромбоидна форма към решетъчния елемент;

   б) множество от дълги горивни пръти, успоредно подредени на разстояние един от друг във флуидния поток и преминаващи през съответните им клетки за пръти, като всеки от горивните пръти има надлъжна ос успоредна на оста на потока;

   в) множество от удължени съединителни тръби, успоредно подредени на разстояние един от друг във флуидния поток и преминаващи през съответните им съединителни клетки, като всяка от съединителните тръби има надлъжна ос успоредна на оста на потока;

   г) множество от дефлекторни лопатки, прикрепени към всяка от клетките за пръти, като всяка дефлекторна лопатка е неделимо свързана към решетъчния елемент и криволинейно частично издаваща сс над съответната й клетка за пръти и наклонена спрямо оста на флуидния поток за отделяне на част от него около надлъжната ос на горивния прът, преминаващ през съответната клетка за пръти.
4. 4. Горивно устройство съгласно претенция 3, характеризиращо се с това, че всяка от
5. 5 множеството дефлекторни лопатки е спираловидно закривена и частично се издава над съответната й клетка за пръти за създаване на вихър, така че частта от флуидния поток, отделена около горивния прът, се завърта около 10 надлъжната му ос.

   5. Горивно устройство съгласно претенция 4, характеризиращо се с това, че множеството от дефлекторни лопатки е двойка от противоположно ориентирани дефлекторни

   15 лопатки, отместени една спрямо друга за образуване на два вихъра, така че частта от флуидния поток, отделена около надлъжната ос на горивния прът, има по-голямо вихрообразно движение.

   20
6. 6. Горивно устройство съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че горивното устройство съдържа:

   а) първа анкерна плоча;

   б) втора анкерна плоча, разделена от 25 първата и коаксиално центрирана с нея;

   в) множество от разделени и коаксиално центрирани решетъчни елементи, разположени между първата и втората анкерни плочи, като всеки решетъчен елемент съдържа:

   30 (i) външна лента с напречен контур правилен шестоъгълник, разположена с ръбовете към флуидния поток и имаща най-малко една удължена странична стена;

   (й) множество от удължени успоредни 35 първи вътрешни ленти, разположени с ръбовете към флуидния поток, всяка от които е прикрепена към външната лента и е разположена напречно във вътрешността на външната лента успоредно на страничната стена;

   40 (iii) множество от удължени успоредни втори вътрешни ленти, разположени с ръбовете към флуидния поток, всяка от които е прикрепена към външната лента и е разположена напречно във вътрешността на външната лента, като всяка от вторите вътрешни ленти пресича всяка от първите вътрешни ленти, под ъгъл за определяне на множество от клетки за пръти с ромбоидна форма и множество от съединителни клетки с най-общо ромбоидна форма в решетъчния елемент;

   г) множество от дълги най-общо цилиндрични горивни пръти, успоредно подредени на разстояние един от друг във флуидния поток и с възможност за генериране на топлина, като всеки от горивните пръти, разположен между първата анкерна плоча и втората анкерна плоча, има надлъжна ос успоредна на оста на потока и преминава през съответната му клетка за пръти;

   д) множество от дълги най-обща цилиндрични съединителни тръби, успоредно подредени на разстояние една от друга във флуидния поток и разположени между първата анкерна плоча и втората анкерна плоча, и имащи първа крайна част, свързана с първата анкерна плоча, и втора крайна част, свързана с втората анкерна плоча, за разделяне на първата и втората анкерна плоча, като всяка от съединителните тръби с надлъжна ос успоредна на оста на потока, преминава през съответната й съединителна клетка;

   е) множество от дефлекторни лопатки, прикрепени към всяка от клетките за пръти, като всяка от дефлекторните лопатки, свързана с решетъчния елемент, спираловидно закривена частично се издава над съответната й клетка за пръти, като е наклонена спрямо оста на потока за отделяне на част от флуидния поток около надлъжната ос на горивния прът, преминаващ през съответната клетка за пръти, при което ромбоидната форма на всяка клетка за пръти и кривината на всяка издаваща се дефлекторна лопатка съдействуват за получаване на предимно еднофазов флуиден поток около горивния прът за предаване на топлината от горивния прът към флуидния поток, 5 като дефлекторната лопатка отделя частта от флуидния поток около надлъжната ос на горивния прът.
7. 7. Горивно устройство съгласно претенция 6, характеризиращо се с това, че всяка

   10 дефлекторна лопатка е спираловидно закривена и се издава частично над съответната й клетка за пръти за завъртане на част от флуидния поток около надлъжната ос на горивния прът за предаване на топлината от горив15 ния прът към флуидния поток.
8. 8. Горивно устройство съгласно претенция 7, характеризиращо се с това, че съдържа две противоположно ориентирани дефлекторни лопатки, отместени една спрямо друга за създаване на два вихъра, така че частта от флуидния поток, отделена около надлъжната ос на горивния прът, има по-голямо завъртащо действие за предаване на по-голямо количество топлина от горивния прът към флуидния поток.