CZ282901B6 - Spodní nástavek palivové soustavy nukleárního reaktoru chlazeného vodou - Google Patents

Abstract

Adaptační deska (11) je opatřena žebry (12) v podstatě kolmými k jejich čelům, které převyšují spodní čelo a vymezují mezi sebou buňky (13) a oblasti (15), z nichž do každé ústí sestava přičných otvorů (16) v pdstatě čtvercového průřezu vytvářejících mříže.ŕ

Description

Spodní nástavek palivové soustavy nukleárního reaktoru, chlazeného vodou

Oblast techniky

Vynález se týká spodního nástavku palivové soustavy nukleárního reaktoru, chlazeného lehkou vodou, a zejména nukleárního reaktoru s tlakovou vodou.

Dosavadní stav techniky

Nukleární reaktory s tlakovou vodou obsahují jádro, tvořené z prizmatických systémů, umístěných vedle sebe ve svislé poloze. Systémy tvoří konstrukce z podélných vodicích trubek, z příčných roštů a uzavřených nástavků, ve kterých jsou umístěny palivové články.

Jeden z nástavků těchto systémů, tak zvaný spodní nástavek, je uložen na spodní desce jádra, ve kterém jsou otvory v rovině každého systému, umožňující průtok chladicí vody reaktorem napříč jádra ve svislém směru zdola nahoru.

Takový nástavek obsahuje podstavce s patkami, které spočívají na spodní desce jádra, a příčný článek ke směru palivových článků nerozebratelného svazku podstavce s patkami. Tento příčný článek je tvořen adaptační deskou, obsahující horní a spodní vzájemně rovnoběžná čela, ve kterých jsou upevněny spodní konce vodicích trubek soustavy a která jsou opatřena v příčném směru otvory, jež umožňují průtok a zajišťují rozdělení chladicí vody reaktoru, která cirkuluje ve svislém směru a je ve styku s vnějším povrchem soustavy článků po průtoku spodního nástavku.

Adaptační deska spodního nástavku přispívá k tuhosti kostry soustavy, zachycuje tlaky, působící na spodní nástavek, a přidržuje palivové články a musí umožnit průtok a rozdělení chladicí vody soustavou.

V primárním okruhu reaktoru se mohou vyskytovat úlomky materiálu, které mohou být tlakovou vodou vneseny do její cirkulace. V případě, že úlomky jsou malé, například menší než 10 mm, mohou procházet adaptační deskou spodního nástavku, jehož otvory pro průtok vody mají průměr povětšině větší než 10 mm. Tyto úlomky se mohou vzpříčit mezi palivovými články ajejich přidržovacími členy v rovině první mříže, to znamená v příčném roštu, udržujícím články podle pravidelné mříže, umístěné na spodku soustavy. Úlomky jsou vystaveny podélným a příčným hydraulickým namáháním, která jsou v této oblasti důležitá a mohou způsobit opotřebení palivového článku. Následkem toho může dojít ke ztrátě propustnosti opláštění, jakož i ke zvýšení stupně aktivity primárního okruhu reaktoru.

Za účelem odstranění zanesení těchto úlomků dovnitř soustavy byla navržena realizace filtrování chladicí tekutiny v úrovni adaptační desky spodního nástavku, přičemž byly v adaptační desce naplánovány otvory dostatečně malého průměru, aby byly zachyceny úlomky, způsobilé k tomu, aby se vzpříčily v první mříži soustavy.

V celé ploše adaptační desky byly rozmístěny díry kruhového menšího průměru jako sít čtverhranných oček. Takovouto sítí malých otvorů je způsobena značná tlaková ztráta v cirkulaci chladicí tekutiny, protékající adaptační deskou.

V případě cirkulace chladicí tekutiny je v soustavě vytvořena vzestupná síla. Bezpečnostní pružiny, použité pro horní desku jádra, jsou pověřeny udržením kladné bilance sil ve směru k spodnímu nástavku jádra, aby bylo zabráněno uvolnění palivové soustavy.

- 1 CZ 282901 B6

K dosažení tohoto cíle a zmenšení namáhání, kterým jsou vystaveny bezpečnostní pružiny, je třeba zmenšit hydraulickou sílu, působící na palivovou soustavu. Prostředek spočívá ve zvýšení propustnosti chladicí tekutiny spodním nástavkem soustavy.

Adaptační deska kromě jiného musí vykazovat dostatečnou tuhost k zajištění mechanické výše zmíněné stability. Není tedy možné zvyšovat hustotu děr, procházejících adaptační deskou, nad určitou mez, ani zvyšovat tloušťku adaptační desky, čímž se znovu zvyšuje tlaková ztráta a zmenšuje prostor, rezervovaný k výkyvům palivových článků.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je spodní nástavek palivové soustavy nukleárního reaktoru, chlazeného vodou, tvořený adaptační deskou, umístěnou napříč s horní a dolní plochou, které jsou vzájemně rovnoběžné a opatřené otvory k protékání vody chladicí soustavou a zachycení odpadu, zaneseného chladicí vodou, jehož podstatou je, že adaptační deska je opatřena žebry pro zajištění mechanické odolnosti v kolmém směru k čelům, převyšujícím spodní čelo, která vymezují mezi sebou buňky a oblasti spodního čela adaptační desky, z nichž do každé ústí soustava příčných otvorů čtvercového průřezu, vytvářejících mříž.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále vysvětlen se zřetelem k příkladnému provedení podle připojených výkresů, na kterých je zobrazen filtrační nástavek palivové soustavy nukleárního reaktoru s tlakovou vodou.

Obr. 1 je nárys palivové soustavy nukleárního reaktoru s tlakovou vodou.

Obr. 2 je pohled zdola na filtrační spodní nástavek podle vynálezu.

Obr. 2A je pohled zdola na část nástavku, znázorňující tvar otvorů napříč adaptační desky v blízkosti vodicí trubky v jednom výhodném uspořádání.

Obr. 3 je pohled v řezu 3 - 3 na obr. 2.

Obr. 3' je detailní pohled ve zvětšeném měřítku na část desky z obr. 3.

Obr. 3 A je pohled v řezu ve zvětšeném měřítku než je na obr. 3, znázorňující podélný řez otvory adaptační desky v jedné alternativě provedení nástavku.

Obr. 3Ά je detailní pohled ve zvětšeném měřítku na desku, znázorněnou na obr. 3A.

Příklad provedení vynálezu

Na obr. 1 je zobrazena palivová soustava 1, tvořená svazkem palivových rovnoběžných článků 2, které jsou drženy v žebroví, vytvořeném z vodicích trubek 4 v podélném směru, příčnými výztuhami 3, horními a spodními koncovými nástavky 5, 6. Výztuhy 3 jsou tvořeny mřížemi, do jejichž každého otvoru je vsunut jeden palivový článek. Určité pozice mříže jsou obsazeny vodícími trubkami 4, jejichž délka je větší než je délka palivových článků 2. Každý z palivových článků 4 je upevněn v sestavě příčných výztuh, které jsou pravidelně rozmístěny podél soustavy.

Vodicí trubky 4 jsou kromě toho na jednom ze svých konců připojeny k nástavku, který tvoří horní nástavek 5 soustavy, a na opačném konci k druhému nástavku, tvořenému spodním nástavkem 6.

V pracovní poloze je soustava situována ve vertikálním směru, jak patrno z obr. 1. Spodní nástavek 6 spočívá pomocí patek 7 na horním povrchu spodní desky 8 jádra nukleárního reaktoru.

-2CZ 282901 B6

Spodní deska 8 je opatřena čtyřmi otvory pro průtok vody, vytékající zespodu spodního nástavku

6, který přísluší každé z palivových soustav, tvořících jádro reaktoru.

Podpěrné patky 7 jsou nerozebratelně spojeny se spodní částí příčného základu 9, ve kterém jsou upevněny dolní konce vodicích trubek 4.

Chladicí voda reaktoru protéká spodní deskou 8 reaktoru otvory, vyúsťujícími ze spodního nástavku 6 příčného základu 9, který je v celé své tloušťce opatřen sítí otvorů.

Chladicí voda je tímto způsobem vedena k cirkulaci vertikálním směrem zdola nahoru, přičemž je ve styku s palivovými články 2, jejichž chlazení a výměnu tepla zajišťuje.

Příčný základ 9, jak bylo dříve zmíněno, je tvořen jednoduchou adaptační deskou, ve které je v celé její tloušťce vytvořena sít otvorů, zajištujících průtok chladicí vody jakož i filtraci a zachycení úlomků, jejichž velikost je větší než určitá mez, stanovená pro příslušné otvory.

Spodní nástavek 6 podle vynálezu je tvořen adaptační deskou 11 mřížového tvaru s otvory pro průchod vody a filtraci úlomků, které jsou specielně rozmístěny, jak bude popsáno se zřetelem k obr. 2, 3 a 3'.

Adaptační deska 11 spodního nástavku 6 podle vynálezu je opatřena horním čelem J_la a spodním čelem 1 lb, která jsou vzájemně rovnoběžná, omezující rovinné části adaptační desky

11, a sestavou žeber 12, kolmých a vyztužujících čela 11a, 1 lb adaptační desky 11, přičemž jsou umístěna tak, že převyšují spodní rovinné čelo 1 lb adaptační desky.

Sestava adaptační desky 11, tvořená rovinnou částí, omezenou rovinnými čely 1 la, 1 lb a žebry

12, je zhotovena z jednoho kusu, například litím a opracováním jednoho kusu neoxidovatelné oceli.

Ocel nebo slitina, zhotovená litím, má s výhodou obsahovat jednu z následujících složek: ocel A286 /Z3CNDTV25-15/:

C < 0,08, Ni 24 až 27, Cr 13,5 až 16, Mo 1,00 až 1,50, Ti 1,90 až 2,35, U 0,10 až 0,5, AI < 0,35, Mn < 2,00, Si < 1,00, přičemž zbytek je tvořen železem.

- Ocel AI51 - 304 /Z2CN18 - 10/: C < 0,03, Si 1,20, Mo < 1,50, Cr 17 až 20, Ni 8 až 12.

-Inconel 718/NC19FeNb/.

Adaptační deska může být rovněž realizována svarem sestavy dvou kusů, jak bude dále popsáno se zřetelem na obr. 3A, který se vztahuje na speciální způsob realizace.

Zebra 12 jsou rozmístěna podle mříže, jejíž větší počet komůrek je čtvercového nebo pravoúhlého tvaru a vymezen mezi sebou a postranními stěnami 14 nástavku, přičemž buňky 13 jsou otevřeny směrem dolů, to je ve směru toku chladicí vody pronikající do palivové soustavy.

Zebra 12 omezují rovněž oblasti 15 rovinné části adaptační desky 11 převážně ve čtvercovém nebo pravoúhlém tvaru tak, že je obsazena největší část povrchu adaptační desky. V oblastech 15 je rovinná část adaptační desky prostoupena mříží příčných otvorů 16, vyúsťujících na spodní čelo 1 lb adaptační desky mezi žebra 12 po celém povrchu oblastí 15, vytvořených mezi žebry 12.

Otvory 16 jsou vytvořeny děrováním rovinné části desky 11 mezi čely 11a a lib. Otvory 16 jsou téměř všechny stejné podstatně čtvercového tvaru a jsou tak velké, že diagonála čtverců je v zásadě stejná nebo o něco menší než nejmenší útvary částic, které jsou zaneseny chladicí tekutinou, a jež mají být zachyceny v nástavku 10 takovým způsobem, aby bylo zamezeno vzpříčení těchto částic v prostoru mezi články a zadržovacími elementy první příčné mříže.

Nejmenší rozměr těchto úlomků a tím také velikost otvorů 16 je definována velikostí prostorů, existujících mezi články a vodícími elementy první příčné mříže.

Otvory 16 adaptační desky jsou rovněž takové, že adaptační deska může zajistit upevnění palivových článků v případě skluzu nebo při zvětšení vlivem ozáření článků. Články tedy spočívají na adaptační desce nástavku takovým způsobem, aby chladicí tekutina mohla stále cirkulovat a zajistit chlazení článků.

V blízkosti vodicí trubky 18a, jak je patrno z obr. 2A, jsou rozmístěny výhodným způsobem otvory 16, jejichž příčné průřezy mohou být různého tvaru, aby byly přizpůsobeny tvaru buněk 13 v sousedství vodicí trubky 18a a byla maximálně snížena tlaková ztráta cirkulace chladicí tekutiny soustavy. Uvedené otvoiy mohou mít zejména tvar čtvercový 16a, pravoúhlý 16b, trojúhelníkový 16c nebo lichoběžníkový 16d. Takto se zvyšuje propustnost adaptační desky, která je protékána chladicí vodou.

Uvnitř buněk 13 existující otvory jsou většinou čtvercového tvaru tak, aby převážná část otvorů 16 napříč adaptační deskou byla tvořena čtvercovými otvory, rozmístěnými podle mříže čtvercových komůrek.

V případě palivových soustav pro nukleární reaktor s tlakovou vodou klasického typu je spodní nástavek podle vynálezu tvořen rovinnou částí o tloušťce několika milimetrů, například řádově 5 mm. Zebra 12 jsou také tloušťky několika milimetrů, například 5 mm, délky několika centimetrů a výška směrem k plochým čelům adaptační desky obnáší 15 až 30 mm.

Otvory 16, procházející rovinnou částí adaptační desky, jsou povětšině čtvercového průřezu o rozměru stěny několika milimetrů. Otvory, vyskytující se v blízkosti vodicích trubek a podél okrajů buněk 13, mohou mít různé tvary tak, aby byly přizpůsobeny co nejlépe tvaru buněk.

Otvory 16, jak je patrno z obr. 2, jsou seskupeny do svazků, majících tvar sestav oblastí 15 adaptační desky tvaru čtvercového, pravoúhlého nebo poněkud odlišných různých jednoduchých tvarů.

Otvory 16, pracované v materiálu adaptační desky, jsou odděleny tenkými stěnami.

Otvory 16 jsou většinou provedeny provrtáním desky, přičemž je například použito otryskávání brusnou vodou o vysokém tlaku několika milimetrů barů, přičemž tato voda obsahuje brusné částice, například coridon. Způsob vrtání a zařízení, použité k tomuto účelu, jsou známy. S vrtacím strojem numericky řízeným lze provádět vrtání desky podle mříže, znázorněné na obr. 2, která obsahuje několik tisíc děr. Automatická operace vrtání může být uskutečněna během několika hodin.

Mříže různých tvarů lze samozřejmě provádět stejným způsobem, jakož i jinými známými postupy vrtání, například laserovými paprsky, které je možno rovněž použít, aniž by došlo k obcházení předloženého vynálezu.

Žebra 12 jsou rozmístěna podle mříže, jejíž poloha uzlů odpovídá poloze vodicích trubek 18 soustavy, které jsou upevněny uvnitř děr, obrobených v adaptační desce v úrovni uzlů 17 mříže žeber 12, to znamená v oblastech, kde se žebra kříží a tloušťka materiálu je poměrně velká.

-4CZ 282901 B6

Tuhost a odolnost adaptační desky jsou dodržovány na hodnotě zcela uspokojující přes potřebná provrtání k upevnění vodicích trubek.

Žebra 12 mají hlavně za úkol zajistit dostatečnou tuhost adaptační desky, jakož i rovinné části této desky, která je poměrně tenká a provrtaná ve velké části svého povrchu.

Žebra zajišťují také vedení chladicí tekutiny soustavy k oblastem 15, ve kterých je zajištěna filtrace tekutiny.

Podpěrné patky nástavku, prostřednictvím kterých má soustava spočívat na spodní desce jádra, jsou umístěny v rozích adaptační desky, jako je tomu v případě předchozích nástavků. Uvedené podpěrné patky nejsou znázorněny na obr. 2, 3.

Čtvercový tvar otvorů 16 a jejich rozmístění v mříži a tvarování sestav, zaujímajících oblasti 15 umožňují zvýšit propustnost adaptační desky, což znamená vztah mezi celkovým povrchem otvorů 16 a celkovým povrchem adaptační desky.

Přizpůsobené tvary otvorům, umístěným v blízkosti okrajů buněk 13, umožňují propustnost ještě zvýšit.

Při rozmístění, jak znázorňuje obr. 2, lze docílit řádově 50% propustnosti, jakož i nižšího koeficientu tlakové ztráty, než podle dřívějšího postupu.

Je tudíž zřejmé, že nástavek podle vynálezu je pozoruhodně výhodnější ve srovnání s nástavkem podle předchozího stavu s vrtanými kruhovými otvory, rozmístěnými podle jediné mříže.

Nástavek podle vynálezu představuje tedy velmi dobrou tuhost, velkou mechanickou odolnost a velkou propustnost chladicí tekutiny. Velká propustnost spodního nástavku umožňuje tepelnou výměnu v úrovni palivových článků, lepší cirkulaci chladicí vody a následkem toho zvýšení účinnosti nukleárního reaktoru.

Jak je zřejmé z obr. 3 A a 3Ά, nástavek podle vynálezu lze realizovat nejen ve tvaru monobloku opracováním, odlitého kusu nebo opracováním silné desky, jako na obr. 2, 3, ale ještě s ohledem na plochou adaptační desku 21 a na konstrukci 20. tvořenou příčkami 22. vymezující mříž buněk 23, upevněných svarem, například laserem ve svařovaných místech 24. Příčky 22 tvoří tedy výztužná žebra adaptační desky.

Adaptační deska 21 a konstrukce žeber 20 mohou sestávat z různých materiálů, které splňují požadované vlastnosti.

V tomto případě provrtání adaptační desky 21 je snadné a otvory 26 podstatně čtvercového průřezu, provedené v každé z buněk 25, lze opracovat způsobem, že je docíleno průřezu, který se zvětšuje směrem ke spodní části desky a zmenšuje směrem k hornímu čelu adaptační desky za účelem dosažení správných rozměrů otvorů, znázorněných na obr. 3, 3'.

Otvory o průřezu, rozšiřujícím se směrem ke spodnímu čelu adaptační desky, umožňují zvýšení průtoku nástavkem a zlepšení výměny tepla, aniž by se snížila tuhost a odolnost nástavku, přičemž je zajištěno účinné přidržení palivových článků v případě skluzu.

Vynález se neomezuje jen na způsob shora popsaného provedení.

Takto lze vytvořit oblasti 15, ve kterých adaptační deska je provrtána čtvercovými otvory, ve tvaru různých oblastí mříže jak patrno z obr. 2. Tvar těchto oblastí je závislý zejména na rozmístění vodicích trubek soustavy. Rozložení, znázorněné na obr. 2, odpovídá palivové

-5 CZ 282901 B6 soustavě nukleárního reaktoru s tlakovou vodou, obsahujícího 24 vodicích trubek a jedné trubky k měření.

Výztužná žebra mohou být různého tvaru a rozměrů, jak bylo naznačeno.

Vynález lze aplikovat konečně nejen na palivové soustavy nukleárních reaktorů s tlakovou vodou, ale rovněž na soustavy jiných nukleárních reaktorů, chlazených lehkou vodou.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (5)

1. Spodní nástavek palivové soustavy nukleárního reaktoru, chlazeného vodou, tvořený adaptační deskou, umístěnou napříč s horní a dolní plochou, které jsou vzájemně rovnoběžné a opatřené otvory k protékání vody chladicí soustavou a zachycení odpadu, zaneseného chladicí vodou, vyznačující se tím, že adaptační deska (11) je opatřena žebry (12) pro zajištění mechanické odolnosti v kolmém směru k čelům (11a, 11b), převyšujícím spodní čelo (11b), která vymezují mezi sebou buňky (13) a oblasti (15) spodního čela (1 lb) adaptační desky (11), z nichž do každé ústí soustava příčných otvorů (16) čtvercového průřezu, vytvářejících mříž.

2. Spodní nástavek podle nároku 1, vyznačující se tím, že žebra (12) tvoří mříž se čtvercovými děrami takového druhu, že buňky (13) a oblasti (15), do kterých jsou udělány otvory (16), jsou čtvercového tvaru.

3. Spodní nástavek podle nároku 1, vyznačující se tím, že žebra (12) tvoří mříž s pravoúhlými děrami takového druhu, že buňky (13) a oblasti (15), do kterých jsou udělány otvory (16), jsou pravoúhlého tvaru.

4. Spodní nástavek podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že mříž vyztužená žebry (12), obsahuje uzly (17), v jejichž úrovni jsou vytvořeny otvory k upevnění vodicích trubek (18) palivové soustavy.

5. Spodní nástavek podle kteréhokoliv z nároků laž4, vyznačující se tím, že otvory (16a, 16b, 16c, 16d) napříč adaptační desky (11) představují nejméně jeden z následujících geometrických tvarů: pravoúhlý, trojúhelníkový, lichoběžníkový, v sousedství žeber (12), která tvoří okraje oblastí (15).

6. Spodní nástavek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že je vyroben z jediného odlitého a opracovaného kusu neoxidovatelné oceli nebo slitiny niklu.

7. Spodní nástavek podle nároku 6, vyznačující se tím, že je vyroben z jednoho z následujících materiálů: oceli s váhovými složkami C < 0,08, Ni 24 až 27, Cr 13,5 až 16. Mo 1,00 až 1,50, Ti 1,90 až 2,35, Al < 0,35, U 0,10 až 0,5, Mn < 2,00, Si < 1,00, a zbytek železo; oceli s váhovými složkami C < 0,03, Si < 1,20, Mo < 1,50, Cr 17 až 20, Ni 8 až 12, a zbytek železo a slitina niklu.

8. Spodní nástavek podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že je tvořen plochou deskou (21) s otvory (26), upevněnou svarem ke konstrukci (20), opatřenou příčkami (22) k vymezení buněk (23), určených žebry adaptační desky (11).

-6CZ 282901 B6

9. Spodní nástavek podle nároku 8, vyznačující se tím, že otvory (26) v ploché desce (21) mají průřez, rozšiřující se ke spodnímu čelu (21b) adaptační desky (21), a zmenšující se směrem k hornímu čelu (21a).

5 10. Spodní nástavek podle kteréhokoliv z nároků 8a 9, vyznačující se tím, že plochá deska (21) je provedena z prvního materiálu o prvním chemickém složení a konstrukce (20) z druhého materiálu o druhém chemickém složení, které se liší od prvního.