BG66073B1

BG66073B1 - Горивна касета на ядрен реактор

Info

Publication number: BG66073B1
Application number: BG109446A
Authority: BG
Original assignee: Открьтое Акционерное Общество "Твэл"; Открьтое Акционерное Общество" Новосибирский Завод Химкоцентратов"; Открытое Акционерное Общество "Машиностроительньй Завод"
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2011-01-31
Also published as: CN100573734C; CN1836291A; CZ2006107A3; CZ301984B6; RU2252458C1; RU2003125287A; UA80064C2; BG109446A; WO2005017917A1

Abstract

Касетата е приложима в ядрената техника, по-специално при конструиране на елементите на нейния корав скелет. Горивната касета има главна и задна част, съединени с помощта на направляващи канали, които се намират в клетките на дистанциониращите решетки. Направляващите канали са твърдо съединени поне с челните дистанциониращи решетки. Височината h на дистанциониращите решетки и дебелината делта на стените на клетките на дистанциониращите решетки са подбрани така, че техните количествени характеристики да отговарят на разчетно-експериментално установени условия. В резултат се увеличава коравината на касетата при напречни и надлъжни oгъвания, повишава се ъгловата коравина в двойката направляващ канал - клетка на дистанциониращата решетка. Намалява се собственото огъване на горивната касета на участъците между дистанциониращите решетки и свободното огъване на горивната касета в нееднородните неутронни и температурни полета, благодарение на намаляването на склонността на сплав Э635 към радиационен растеж.

Description

Област на техниката

Изобретението е приложимо в ядрената техника и се отнася до конструкцията на горивните касети на водно-водните ядрени енергетични реактори, по-специално от типа ВВЗР-1000 и конкретно - до конструкцията на елементите на коравия скелет.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е горивна касета, съдържаща сноп топлоотделящи елементи, разположени в клетки на дистанциониращите решетки [Крамеров А. Я., Вопросм конструирования ядерннх реакторов, М., Атомиздат, 1971, стр. 198, фиг. 7.2.2]. Коравината и якостта на тази горивна касета се постига с помощта на шестостенна обвивка, която свързва главата и опашката на касетата. Но наличието на обвивка води до паразитно улавяне на неутроните в активната зона, което увеличава линейното топлинно натоварване върху топлоотделящите елементи за сметка на принудителното увеличаване на стъпката между горивните касети.

Известна е и горивна касета на ядрен реактор, съдържаща хексагонален сноп от топлоотделящи елементи, които се намират в клетките, разположени по дължината на касетата на дистанциониращите решетки. [Крамеров А. Я., Вопросм конструирования ядерньгх реакторов, М., Атомиздат, 1971, стр. 204, фиг. 7.1.116]. Главата и опашката са съединени с помощта на направляващи канали, по които се преместват пръти с материал, поглъщащ неутроните. В тази горивна касета няма обвивка, което дава възможност да се намали луфтът между съседните горивни касети. Така се намаляват линейните натоварвания на топлоотделящите елементи и неравномерността на енергоотделянето.

Липсата на обвивката намалява паразитното улавяне на неутроните, а така също - разхода на материала. Но използването на тези касети в енергоблоковете с реактори ВВЗР-1000 показва, че след тригодишна експлоатация се наблюдава изкривяване на направляващите канали поради механичното натоварване от страна на главата, която е подгъната, за да предотврати изплуването на горивната касета под въздейст вието на потока от топлоносителя. Освен това, в процеса на експлоатация на реактора се появява термомеханично натоварване на конструкцията на касетата като цяло поради деформациите на топлоотделящите елементи. Тези деформации се предават чрез дистанциониращите решетки, поради което те също се деформират. Основна роля за разрастването на изкривяванията на горивните касети играе релаксацията на еластичните натягания в дистанциониращите решетки, които се получават при полагането на топлоотделящите елементи и направляващите канали в решетките.

Значителното намаляване на коравината на огъването на горивната касета принципно променя характера на нейното поведение в активната зона при продължителна експлоатация: възникват огъвания на горивната касета със сложна пространствена форма и отклонения на осите на касетата от първоначалното положение със стойност, която достига пределно разрешената, като се имат предвид геометричните възможности на опаковката на касетите в активната зона с отчитане на конструктивните монтажни луфтове. При това положение между периферните топлоотделящи елементи на съседните изкривени касети могат да се появят големи луфтове. Това нарушава топлотехническата надеждност на тези топлоотделящи елементи, тъй като може да доведе до изригване в тях по време на енергоотделянето. Също така трябва да се отбележи, че в хексагоналните конструкции на горивните касети, особено в тези, които се използват в енергоблоковете с реактори ВВЗР1000, се наблюдава ъглова анизотропия на коравината на огъване (коравината на огъване в посока от “ъгъл към ъгъл” не се равнява на коравината на огъване в посока от “стена към стена”), като коравината на огъване на касетата в тангенциалната посока (спрямо центъра на активната зона) е по-малка от нейната коравина на огъване в радиална посока. Голямата свобода на преместването в тангенциалната посока води предимно до завихряне в активните зони и, следователно, до максимално изкривяване на горивните касети в работни условия. Има експериментални данни, които показват, че изкривяванията в горивните касети са на стойност от порядъка 20 шш. Толкова значителни изкривявания на горивните касети нарушават първоначал

66073 Bl ната геометрия на активната зона, водят до промени в енергоотделянето и топлохидравлическите характеристики на активната зона.

За премахване на посочените негативни фактори в горивната касета и осигуряване на нейното стабилно поведение, което означава да не се допуска прекадено изкривяване на касетата в работни условия в продължение на 4-5годишна експлоатация, е необходимо:

- да се осигурят гарантирани стойности на коравината на огъване на горивните касети при надлъжно огъване, като се въведат надлъжни елементи, които да не се разместват спрямо дистанциониращите решетки по време на срока на експлоатация;

- да се осигури гарантирано по-голяма стойност на коравината на огъване на горивните касети при напречно огъване чрез намаляване в работни условия на индивидуалното огъване на прътите или други надлъжни елементи в участъците между дистанциониращите решетки при същевременно повишаване на коравината за обръщане на прътите или надлъжните елементи в клетките на дистанциониращите решетки.

На горепосочените условия отговаря найблизката по техническа същност и постигащ резултат горивна касета на ядрен реактор, съдържаща глава и опашка, съединени с помощта на направляващи канали, поместени в клетките на дистанциониращи решетки, които са разположени на разстояние една от друга по дължината на касетата [RU 2093906, G 21 С 3/30,20.10.97]. В конструкцията на познатата горивна касета са въведени допълнителни елементи за коравина - надлъжни винкели, които минават от долната опорна решетка до горната дистанционираща решетка и са заварени отвън в шест ъгъла към всяка от дистанциониращите решетки. Твърдото съединение на винкелите с дистанциониращите решетки осигурява съществено повишаване на коравината на горивната касета спрямо надлъжното огъване, независимо от релаксацията на еластичните затягания в прътовата система на горивната касета. Пространствената форма на винкелите е с много голяма стойност на собствените моменти на инерция, с което се осигурява достатъчна коравина на конструкцията при напречното огъване на горивната касета. Освен това, невъзможността за обръщане на винкелите спрямо оста на дистанциониращите решетки в мес тата на тяхното взаимно съединение допълнително помага за повишаване на коравината на горивната касета.

Същевременно, познатата горивна касета има следните недостатъци:

- увеличава се металоемкостта на конструкцията, което води до влошаване на неутроннофизическите характеристики на активната зона;

- влошава се топлоотвеждането от ъгловите и периферните топлоотделящи елементи;

- усложнява се технологията на изработване на горивната касета, тъй като се появяват допълнителни ъглови елементи, нараства обемът на заваръчните и контролни дейности;

- намаляват се възможностите за визуален контрол по време на изработването и при извършване на оглед в периода на експлоатация.

Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението е да се създаде горивна касета на ядрен реактор с понижена металоемкост и с повишена стабилност по време на експлоатация в топливни цикли с повишена продължителност, без да се натрупват недопустими огъвания.

При решаването на тази задача се получават нови технически резултати, които да се състоят в следното: засилва се коравината на горивната касета при напречните и надлъжните сгъвания, увеличава се ъгловата коравина в двойките “направляващ канал - клетка на дистанциониращата решетка”, намалява се собственото огъване на горивната касета в участъците между дистанциониращите решетки и свободното огъване на горивната касета в нееднородните неутронни и температурни полета поради намалената склонност на сплав 3635 към радиационен растеж.

Тези технически резултати се постигат благодарение на това, че в горивната касета на ядрения реактор (съдържаща глава и опашка, съединени с помощта на направляващите канали, положени в клетките на дистанциониращите решетки, които са разположени на разстояние една от друга по дължина на касетата, направляващите канали са твърдо съединени поне с челните дистанциониращи решетки) височината h на дистанциониращите решетки и дебелината делта на стените на клетките на дистанциониращите решетки са подбрани така, че техните количествени стойности отговарят на условието:

66073 Bl

( h ϊ\	i ^s 'I
_к20\|/шп])	_<0.25[«m]_>

където:

f h ^f h ° \20(т/и] , \2фит] b-B₀+B_{x 20}j_mmj ¹ -^{5 +} ^[20(^] където:

h - височина на дистанционираща решетка, mm;

делта - дебелина на елементите, образуващи клетките на дистанциониращите решетки, в mm, като за 8-те решетки С_о = 39.17, А_о = 5.563, А1 = -3.482, А₂ = 1.332, В_о = 2.245, В1 - -4.500, В₂ = 6.072, В₃ = -3.128, В₄ = -0.620, за 9-те решетки С_о = 22.74, А_о = 4.988, Al - -2.985, А₂ = 1.119, В_о = 2.225, В, = -4.005, В₂ = 5.145, В₃ = 2.595, В₄ = -1.113, за 10-те решетки С_о - 13.06, А_о = 4.481, А, = -2.568, А₂ = 0.932, В_о = 2.203, В, = -3.568, В₂ = 4.324, В₃ = -2.127, В₄ = -1.510, за 11-те решетки С_о = 8.84, А_о = 4.138, А] = -2.281, А₂ = 0.811, В_о = 2.170, В₍ = -3.250, В₂ = 3.752, В₃= -1.814, В₄ - -1.675, за 12-те решетки С_о = 6.90, А_о - 3.895, А] = -2.088, А₂ = 0.732, Βθ = 2.126, В, = -3.042, В₂ = 3.400, В₃ = -1.623, В₄ = -1.695, за 13-те решетки С_о = 5.73, А_о = 3.697, А] = -1.937, А₂ - 0.667, В_о = 2.068, В] = -2.910, В₂ = 3.199, В₃= -1.505, В₄ = -1.651, за 14-те решетки С_о = 4.70, Αθ = 3.526, А] = -1.813, А₂ = 0.614, Βθ = 2.003, В, = -2.815, В₂ - 3.062, В₃ = -1.422, В₄ = -1.575, за 15-те решетки С_о = 3.78, А_о = 3.356, А! = -1.684, А₂ = 0.560, Βθ = 1.940, В! = -2.722, В₂ = 2.928, В₃= -1.336, В = -1.490.

Отличителна особеност на настоящото изобретение е твърдото съединение на направляващите канали поне с челните, но е за предпочитане - с всички дистанциращи решетки, което изключва плъзгането на направляващите канали спрямо клетките на тези решетки. В този случай общата коравина на огъване на горивната касета при облъчване се увеличава, тъй като се появява ^+в>[й(Ь¹-⁵)^+ь,(й^^_14’ постоянният компонент в коравината на сгъването на касетата, който, компонент, се равнява на коравината на съединената конструкция на направляващите канали. Тук топлоотделящите елементи могат да престанат да играят ролята на свързана многопрътова система и, когато те се плъзгат в клетките на дистанциониращите решетки, могат да допринесат за общата коравина на огъване на касетата не като свързан многопрътов сноп, а като множество независими прътове, което е много по-малко като величина. Да се увеличи коравината на горивната касета като цяло и да се осигури стабилност на горивната касета, при което луфтовете, образуващи се между касетите, да не превишават стойността, пределно възможна от гледна точка на постигането на допустимата енергонапрегнатост на топлоотделящите елементи и топлотехническата надеждност на активната зона, може само, ако се изпълни условието:

h Г ( S г

Освен това, горепосоченото разчетно-експериментално изражение свързва количеството на дистанциониращите решетки с техните характерни параметри, при които напреженията, възникващи в дистанциониращите решетки и обусловени от появяващите се при огъване осеви сили в местата на крепежа на направляващите канали, не надхвърлят допустимата стойност.

Препоръчва се направляващите канали да бъдат изработени от сплав 3635, а дистанциониращите решетки - от сплав 3110 или за предпо5

66073 Bl читане - от сплав 3635.

Направляващите канали могат да бъдат

Примерно изпълнение и действие на изобретението твърдо съединени поне с челните дистанциониращи решетки директно или с помощта на междинни втулки, сложени в съответните клетки на дистанциониращите решетки. Съединението на направляващите канали с дистанциониращите решетки е за предпочитане да се извършва симетрично спрямо надлъжната ос на направляващия канал от страна на двете челни части на дистанциониращите решетки с разстояние не повече от 0,15 h от челото на дистанциониращата решетка.

Твърдото съединение на направляващите канали поне с челните дистанциониращи решетки може да е изпълнено с точкова заварка.

Най-рационално е да се използват 18 направляващи канали с диаметър от 12 до 14 mm.

Пояснение на приложените фигури

Най-добър предпочитан вариант на изоб5 ретението

Горивната касета на ядрения реактор се състои от глава 1 и опашка 2, съединени с помощта на направляващи канали 3. Направляващите канали 3 се намират в клетки 4 на дистанI θ циониращите решетки 5, разположени на известно разстояние една от друга по дължината на касетата. Обикновено направляващите канали а те са 18 на брой, минават през клетките, симетрично разположени около централния канал 15 ⁶- В други клетки на дистанциониращите решетки 5 се намират топлоотделящите елементи 7. Дистанциониращите решетки 5 заедно с направляващите канали 3 образуват корава конструкция на горивната касета, тъй като направляваПо-подробно изобретението е пояснено на 20 приложените фигури, където:

фигура 1 представлява общ вид на горивната касета;

фигура 2 - вариант на възела А от фиг. 1 в разрез; 25 фигура 3 - втори вариант на възела А от фиг. 1 в разрез.

щите канали 3 са здраво съединени с челните дистанциониращи решетки или, което е за предпочитане, с всички дистанциониращи решетки

5. Височината h на дистанциониращите решетки и дебелината 5 на стените на клетките на дистанциониращите решетки се избират така, че техните числени стойности да отговарят на условието:

Г λ Ί	* Ί
l<20(mm]J	^0.25[тт]_?

където:

Ь~Вц+В_}

ί h	-1.5	+Λ	^f h	-1.5
₄20(mm]			20( mm]	J
ί ^h	-1.5	+ В_г	ί *,	-1.5
^20[mm]			^20[mm]	J

h - височина на дистанциониращата решетка, mm;

делта - дебелина на елементите, образуващи клетките на дистанциониращата решетка, като за 8-те решетки С_о = 39.17, А_о = 5.563, А! = 3.482, А₂ = 1.332, В_о = 2.245, В, = -4.500, В₂ = 6.072, В₃ = -3.128, В₄ = -0.620, за 9-те решетки С_о = 22.74, А_о = 4.988, А, = -2.985, А, = 1.119, В_о= 2.225, В, = -4.005, В₂ = 5.145, В₃ - -2.595, В₄ = -1.113, за 10-те решетки С_о = 13.06, А_о = 4.481, А, = -2.568, А₂ = 0.932, В_о = 2.203, В, - -3.568, ₅θ

В₂ = 4.324, В₃ = -2.127, В₄ = -1.510, за 11-те решетки С_о = 8.84, А_о - 4.138, Aj = -2.281, А₂ = 0.811, В_о = 2.170, Bj = -3.250, В₂ = 3.752, В₃ = 1.814, В₄ = -1.675, за 12-те решетки С_о = 6.90, А_о = 3.895, А, = -2.088, А₂ = 0.732, В_о = 2.126, В, = -3.042, В₂ = 3.400, В₃ = -1.623, В₄ = -1.695, за 13-те решетки С_о = 5.73, А_о = 3.697, А! = 1.937, А₂= 0.667, В_о = 2.068, Bj = -2.910, В₂ = 3.199, В₃ = -1.505, В₄ =-1.651, за 14-те решетки С_о = 4.70, А_о = 3.526, Aj = -1.813, А₂ = 0.614, В_о= 2.003, В₁ = -2.815, В₂ = 3.062, В₃ = -1.422, В₄

66073 Bl = -1.575, за 15-те решетки С_о = 3.78, А_о = 3.356, А, = -1.684, А₂ = 0.560, Βθ= 1.940, В, = -2.722, В₂= 2.928, В₃ =-1.336, В₄ =-1.490.

Формата на клетките може да бъде изпълнена по всякакъв известен начин. Дистанциони- 5 ращите решетки 5 и направляващите канали 3 е за предпочитане да са изработени от циркониева сплав 3635; могат да се съчетават сплавите 3636 и 3110:НК от сплав 3635 и ДР от сплав 3110.

Направляващите канали 3 са твърдо съеди- 10 нени с дистанциониращите решетки чрез междинните втулки 8, които са поместени в съответните клетки на дистанциониращите решетки. Твърдото съединение 9 на направляващите канали с дистанциониращите решетки се извършва с 15 точкова заварка, например, с електроконтактно заваряване. Твърдото свързване на направляващите канали с дистанциониращите решетки се извършва симетрично спрямо надлъжната ос на направляващия канал от страна на двете челни 20 части на дистанциониращата решетка на разстояние не повече от 0,15 h от челото на дистанциониращата решетка. При това положение съществено се увеличава якостта на огъването на направляващите канали. 25

Промишлена приложимост

Горивната касета може да се реализира в промишлени условия и това става най-добре във водно-водните ядрени енергетични реактори, особено тип ВВЗР-1000, при изработване на конструкцията на елементите на твърдо свързания скелет на касетата.

Горивната касета може да се произведе с използване на всяко оборудване, предназначено за тези цели, и не се налага да се разработват принципно нови машини и принадлежности.

Claims

Патентни претенции

1. Горивна касета на ядрен реактор, която има глава (1) и опашка (2), съединени с помощта на направляващи канали (3), които се намират в клетки (4) на дистанциониращи решетки (5), разположени на известно разстояние една от друга, характеризираща се с това, че направляващите канали (3) са твърдо свързани поне с челните дистанциониращи решетки, а височината h на дистанциониращите решетки (5) и дебелината делта на стените на клетките (4) на дистанциониращите решетки са избрани така, че техните числени стойности отговарят на условието:

г ^h Ί -о / 20( m/n], ч

δ

0.25[mm] <1.0, където:

_а= J +д[——1.5^+4(:^-;-!·⁵\20(mm] ) \20[т7и] J &=в₀+д[—— \20(отт] —1.5 +.¾

-1.5 ^f h _k20(mm]

-1.5 +ό₄

--------1.2 ;

0.25( mm] J’ където:

h - височина на дистанциониращата решетка, mm;

делта - дебелина на елементите, които образуват клетката на дистанциониращата решетка, mm, като за 8-те решетки С_о = 39.17, А_о = 5.563, А, = -3.482, А₂ = 1.332, Βθ = 2.245, В! = -4.500, В₂ = 6.072, В₃ = -3.128, В₄ = -0.620, за 9-те ре шетки С_о = 22.74, А_о = 4.988, А, = -2.985, А₂ = 1.И9, В_о = 2.225, В, = -4.005, В₂ = 5.145, В₃ = 2.595, В₄ = -1.113, за 10-те решетки С_о = 13.06, А_о = 4.481, А] = -2.568, А₂ = 0.932, Βθ = 2.203, В, = -3.568, В₂ = 4.324, В₃ = -2.127, В₄ = -1.510, за 11-те решетки С_о = 8.84, Αθ = 4.138, Aj = -2.281, А₂ = 0.811, Βθ = 2.170, В] = -3.250, В₂ = 3.752, В₃= -1.814, В₄ = -1.675, за 12-те решетки С_о = 6.90,

66073 Bl

A_o = 3.895, A, = -2.088, A₂ = 0.732, B_o = 2.126, B, = -3.042, B₂ = 3.400, B₃= -1.623, B₄ = -1.695, за 13-те решетки C_o = 5.73, A_o = 3.697, Aj = -1.937, A₂ = 0.667, B_o = 2.068, B_] = -2.910, B₂ = 3.199, B₃= -1.505, B₄ = -1.651, за 14-те решетки C_o = 4.70, A_o = 3.526, A₁ = -1.813, A₂ = 0.614, B_o = 2.003, B, = -2.815, B₂ = 3.062, B₃ = -1.422, B₄ = -1.575, за 15-те решетки C_o = 3.78, A_o = 3.356, A] = -1.684, A₂ = 0.560, B_o = 1.940, Bj = -2.722, B₂ = 2.928, B₃= -1.336, B₄ = -1.490.
2. Горивна касета съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че направляващите канали (3) са изработени от сплав 3635.
3. Горивна касета съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че дистанциониращите решетки (5) са изработени от сплав 3635 или сплав 3110.
4. Горивна касета съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че направляващите канали (3) са твърдо свързани поне с челните дистанциониращи решетки (5) с помощта на междинни втулки (8), поместени в съответните клетки (4) на дистанциониращите решетки.
5. Горивна касета съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че твърдото свърз ване (9) на направляващите канали (3) с дистанциониращите решетки (5) е разположено симетрично спрямо надлъжната ос на направляващия канал от страна на двете чела на дистанциониращата решетка.
6. Горивна касета съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че твърдото свързване (9) на направляващите канали (3) с дистанциониращите решетки (5) е разположено от челната страна на дистанциониращата решетка на разстояние не повече от 0,15 h.
7. Горивна касета съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че твърдото свързване (9) на направляващите канали (3) с дистанциониращите решетки (5) е изпълнено чрез точково заваряване.
8. Горивна касета съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че броят на направляващите канали (3) е 18.
9. Горивна касета съгласно всяка от горните претенции, характеризираща се с това, че диаметърът на направляващите канали (3) е избран в диапазона от 12 до 14 mm.