CZ310528B6 - Palivový soubor jaderného reaktoru - Google Patents

Abstract

Palivový soubor jaderného reaktoru, obsahující hlavici (6), koncovku (5), palivové elementy (1), vodicí kanály (2) a distanční mřížky (3), přičemž dolní nástavce palivových elementů (1) a dolní nástavce (30) vodicích kanálů (2) jsou upevněny v nosné desce (10) koncovky (5), má nástavec (30) vodicího kanálu (2) vytvořený ve formě konstrukce sestávající z objímky (14), v jejíž vnitřní dutině je umístěn šroub (15) a tento šroub fixující fixační šroub (16) se středovým otvorem (17), přičemž šroub (15) prochází skrze otvor nosné desky (10) koncovky (5) a prostřednictvím závitového spoje s maticí (18) upevňuje nástavec (30) vodicího kanálu (2) v nosné desce (10) koncovky (5), a v objímce (14) a fixačním šroubu (16) jsou vytvořeny čtyři radiální otvory (19) ústící do dutiny středového otvoru (17) fixačního šroubu.

Description

Palivový soubor jaderného reaktoru

Oblast techniky

Vynález se týká jaderné technologie, konkrétně konstrukcí bezplášťových palivových souborů, ze kterých jsou vytvořeny aktivní zóny vodovodních energetických reaktorů (VVER), zejména typu VVER-1000.

Dosavadní stav techniky

V konstrukci palivového souboru jsou hlavními díly palivové elementy, hlavice a koncovka.

Svazek palivových elementů je zpravidla instalován v rámu tvořeném vodícími kanály a distančními mřížkami a je spojen s hlavicí a koncovkou palivového souboru.

Koncovka palivového souboru zpravidla sestává z nosného pouzdra a nosné desky. Vodicí kanály jsou zpravidla připojeny k hlavici palivového souboru prostřednictvím kleštinové sestavy, upevněny v nosné desce koncovky a mají možnost tepelné a radiační expanze podél palivového souboru, zejména v důsledku jejich pružného odpružení v hlavici palivového souboru.

Normální a bezpečné fungování vodicích kanálů v sestavě palivových souborů vyžaduje přítomnost upevňovacího dílu pro dolní nástavec vodicího kanálu v nosné desce koncovky, který musí zajišťovat spolehlivé upevnění vodicího kanálu a přiléhání k nosné desce.

V současné době je vyvinuta řada konstrukcí sestav vodicích kanálů a upevňovacích prvků pro nástavce vodicích kanálů.

Je známá konstrukce vodicího kanálu, sestávající z trubky, uchopovací objímky pro spojení s hlavicí palivového souboru, nástavce pro spojení s koncovkou palivového souboru, přičemž objímka a nástavec jsou upevněny na trubce prostřednictvím sevření (US 4687619, G21C 19/20, 1987). Spojení vodicího kanálu s hlavicí je provedeno pomocí upevnění kleštinového upínače hlavice na objímce vodicího kanálu; spojení vodicího kanálu s koncovkou je provedeno pomocí svaření nástavce vodicího kanálu s nosnou deskou koncovky. Nevýhodou této konstrukce je nízká spolehlivost spojů: objímka-trubka a nástavec-trubka, uskutečněných sevřením, protože během provozu se tyto spoje v důsledku tepelné roztažnosti a vibrací v proudu chladiva oslabují, což vede k nepřijatelnému zkřivení a zkroucení vodicích kanálů a svazku palivových elementů, skrze který procházejí vodicí kanály.

Je známá konstrukce vodicího kanálu, sestávající z trubky, uchopovací objímky pro spojení s hlavicí palivového souboru, nástavce pro spojení s koncovkou palivového souboru, přičemž objímka a nástavec jsou upevněny na trubce prostřednictvím svaření (RU 2152084, G21C 3/04, 27.06.2000). Nástavec vodicího kanálu je zhotoven z tyče, na jejímž těle je instalována objímka, upevněná zaválcováním konce tyče. Objímka je zhotovena z materiálu trubky a prostřednictvím svaření zajišťuje spojení nástavce s trubkou vodicího kanálu. Upevnění vodicího kanálu v sestavě palivového souboru je provedeno pomocí vložení nástavce vodicího kanálu do otvoru v desce koncovky a svařením konce tyče vodicího kanálu s deskou. Nevýhodou této konstrukce je uložení objímky na těle tyče nástavce vodicího kanálu se zaručenou vůlí, což během provozu v důsledku tepelné roztažnosti a vibrací v proudu chladiva také vede k oslabení tohoto spoje.

Nejbližším analogem předloženého vynálezu je konstrukce palivového souboru jaderného reaktoru, obsahující svazek palivových elementů, distanční mřížky rozmístěné po délce palivového souboru, hlavici a koncovku, spojené vodicími kanály, ve kterých se přemisťují regulační tyče, přičemž vodicí kanály jsou pevně spojeny s koncovkou a jejich horní části jsou umístěny

- 1 CZ 310528 B6 v pružinovém bloku hlavice (RU 2137223, G21C 3/32, 10.09.1999). Ve známém palivovém souboru koncovka představuje konstrukci z nosné desky a nosného pouzdra. Nosná deska je určena k fixaci a upevnění dolních nástavců palivových elementů a vodicích kanálů uložených v otvorech nosné desky, přičemž dolní nástavce vodicích kanálů jsou upevněny v nosné desce koncovky prostřednictvím závitového spoje pomocí matic.

V této konstrukci vodícího kanálu jsou použity známé nástavce vodícího kanálu mající výše uvedené nevýhody.

Cílem předloženého vynálezu je vyvinout a vytvořit palivový soubor jaderného reaktoru mající zlepšené pevnostní charakteristiky.

Podstata vynálezu

Technický výsledek vynálezu spočívá ve zvýšení spolehlivosti upevnění nástavců vodicích kanálů, zvýšení udržovatelnosti a prodloužení životnosti palivových souborů.

Technického výsledku je dosaženo tím, že palivový soubor jaderného reaktoru obsahuje hlavici, palivové elementy a vodicí kanály, distanční mřížky, koncovku, dolní nástavce palivových elementů a dolní nástavce vodicích kanálů jsou upevněny v nosné desce koncovky. Nástavec vodicího kanálu je vytvořen ve formě konstrukce sestávající z objímky, v jejíž vnitřní dutině je umístěn šroub a fixační šroub ho fixující se středovým otvorem, šroub prochází skrze otvor nosné desky a prostřednictvím závitového spojení s maticí upevňuje nástavec v nosné desce, v objímce a fixačním šroubu jsou vytvořeny čtyři radiální otvory ústící do dutiny středového otvoru fixačního šroubu.

Charakteristický rys předloženého vynálezu spočívá v následujícím. Použití nástavce vodicího kanálu navržené konstrukce umožňuje použít při výrobě vodicího kanálu trubku vodicího kanálu a objímku nástavce vyrobené z homogenních zirkonových slitin, přičemž se vytvoří spolehlivé celokovové spojení trubka-objímka pomocí použití svařování natupo. Přitom se dovnitř objímky uloží šroub z nerezové oceli, který umožňuje prostřednictvím závitového spoje s maticí vyrobenou z nerezové oceli spolehlivě upevnit vodicí kanál v nosné desce koncovky. Přitom fixační šroub uložený ve vnitřní dutině objímky nástavce spolehlivě fixuje šroub v nástavci a současně plní funkci nosného prvku při provádění svařování natupo. Přitom je ve fixačním šroubu vytvořen středový průtočný otvor, který je spojen se čtyřmi průtočnými radiálními otvory vytvořenými v objímce. Tento systém průtočných otvorů je určen pro tok chladiva do vnitřní dutiny vodicího kanálu za účelem chlazení během provozu tyčí řídicích a ochranných zařízení reaktorového zařízení, které se přemisťují ve vodicích kanálech.

Je účelné nad nosnou deskou koncovky umístit antivibrační mřížku sestávající ze vzájemně spojených buněk a přitom buňky mřížky rozmístit podle hexagonálního schématu vzoru a vytvořit je v šestihranném tvaru se třemi podpěrami pro palivové elementy, uspořádanými 120 stupňů od sebe, tvořenými vypuklinami na hranách tohoto šestihranu s výstupky směřujícími do buňky. Antivibrační mřížka, nosná deska koncovky a nosné pouzdro koncovky jsou vzájemně spojeny upevňovacími prvky vytvořenými ve formě šesti lamel.

Je účelné rozmístit prvky spojující distanční mřížky mezi sebou a s koncovkou, po délce palivového souboru a vytvořit je ve formě šesti úhlových profilů s výztužnými žebry ve formě obruby mezi distančními mřížkami.

Je účelné vytvořit distanční mřížky sestávající ze vzájemně spojených buněk a přitom buňky mřížek rozmístit podle hexagonálního schématu a vytvořit je v šestihranném tvaru se třemi podpěrami pro palivové elementy, uspořádanými 120 stupňů od sebe, tvořenými vypuklinami na hranách tohoto šestihranu s výstupky směřujícími do buňky.

- 2 CZ 310528 B6

Je účelné dolní nástavec palivového elementu vytvořit ve formě válcové zátky, jejíž dolní část představuje pružný prstencový prvek, mající jeden podélný zářez a válcový límec, který při vložení do otvoru nosné desky koncovky vytváří kleštinový spoj.

Je účelné horní část vodícího kanálu, určenou k upevnění v hlavici palivového souboru, vytvořit ve formě pouzdra spojeného s trubkou vodicího kanálu spirálou prostřednictvím rotačního kování.

Je účelné v dolní části koncovky umístit filtr proti nečistotám ve formě desky s průtočnými otvory ve tvaru písmene V.

Je účelné konstrukci hlavice vytvořit s 19 nezávislými tlumicími pružinovými prvky pro individuální upevnění vodicího kanálu.

Je účelné v horní části palivových elementů mezi distančními mřížkami umístit mísicí mřížky, obsahující věnec a sadu vzájemně se protínajících lamel ve formě pásů, spojených mezi sebou a s věncem v místech protínání, vytvářejících pole buněk pro průchod palivových elementů a vodicích kanálů palivových souborů, vytvořených jako šestihranné, a trojhranných buněk, sousedících s šestihrannými buňkami, pro průchod chladiva, a na jejich koncích vytvořit mísicí lamelové deflektory ohnuté směrem k trojhranným buňkám.

Objasnění výkresů

Vynález je vysvětlen graficky pomocí výkresů, kde na obr. 1 je uvedeno celkové schéma palivového souboru (PS), na obr. 2 je znázorněna koncovka s antivibrační mřížkou a schéma upevnění vodicího kanálu a palivových elementů v nosné desce koncovky palivového souboru, na příčném řezu A-A z obr. 2 je znázorněno uspořádání vodicího kanálu a palivových elementů ve svazku, na obr. 3 je znázorněn vnější prvek B z obr. 2 s podélným řezem nástavcem vodicího kanálu (VK), na obr. 4 je znázorněn úhlový profil a příčný řez D-D úhlovým profilem s obrubami, na obr. 5 je znázorněna buňka distanční a antivibrační mřížky, na obr. 6 je znázorněn vnější prvek C z obr. 2 s nástavcem palivového elementu, na obr. 7 je znázorněn podélný řez vodicím kanálem (VK), na obr. 8 je znázorněn příčný řez filtrem proti nečistotám, na obr. 9 je znázorněna hlavice s 19 nezávislými pružinovými prvky pro upevnění vodicího kanálu, na obr. 10 je znázorněna mísicí mřížka.

Příklady uskutečnění vynálezu

Palivový soubor jaderného reaktoru (viz obr. 1) obsahuje svazek palivových elementů 1 a vodicí kanály 2, distanční mřížky 3 spojené mezi sebou prostřednictvím svaření s úhlovými prvky 4, koncovku 5 a hlavici 6. Úhlové prvky 4 jsou prostřednictvím šroubků 7 spojeny s koncovkou 5. Mezi distančními mřížkami jsou v horní části svazku palivových elementů umístěny mísicí mřížky 8, spojené prostřednictvím svaření s úhlovými prvky.

Koncovka (viz obr. 2) sestává z nosného pouzdra 9 a nosné desky 10, spojených mezi sebou a s antivibrační mřížkou 11 prostřednictvím svaření s šesti lamelami 12. Ve vnitřní dutině nosného pouzdra 9 je umístěn filtr 13 proti nečistotám, spojený s nosným pouzdrem prostřednictvím svaření.

Vodicí kanály 2 (viz obr. 1, 2) procházejí mezi buňkami distančních mřížek 3 a antivibrační mřížky 11 a jsou připevněny k nosné desce 10 prostřednictvím šroubového spoje.

Dolní nástavec vodicího kanálu (viz obr. 3) je vytvořen ve formě konstrukce sestávající z objímky 14, v jejíž vnitřní dutině je umístěn šroub 15 a fixační šroub 16 ho fixující se středovým

- 3 CZ 310528 B6 otvorem 17, přičemž šroub prochází skrze otvor nosné desky 10 a prostřednictvím závitového spoje s maticí 18 upevňuje nástavec v nosné desce 10, přičemž v objímce a fixačním šroubu jsou vytvořeny čtyři radiální otvory 19 ústící do dutiny středového otvoru 17 fixačního šroubu.

Prvky spojující distanční mřížky mezi sebou a s koncovkou (viz obr. 1, 4) jsou vytvořeny ve formě šesti úhlových profilů 4 s výztužnými žebry ve formě obrub 20 mezi distančními mřížkami 3.

Distanční mřížky 3 (viz obr. 1) a antivibrační mřížka 11 (viz obr. 2) jsou vytvořeny ze vzájemně spojených buněk 21 (viz řez A-A na obr. 2, obr. 5), přičemž buňky mřížek jsou uspořádány podle hexagonálního schématu a vytvořeny v šestihranném tvaru se třemi podpěrami pro palivové elementy, uspořádanými 120 stupňů od sebe, tvořenými vypuklinami 22 na hranách šestihranu s výstupky směřujícími dovnitř buňky.

Dolní nástavce palivových elementů 1 (viz obr. 2) jsou díky pružným prvkům uloženy do otvorů nosné desky 10 koncovky a jsou fixovány vůči radiálním a axiálním přemístěním v buňkách 21 antivibrační mřížky 11. Nástavec palivového elementu (viz obr. 6) je vytvořen ve formě válcové zátky 23, jejíž dolní část představuje pružný prstencový prvek 24 mající jeden podélný zářez 25 a válcový límec 26, který při vložení do otvoru nosné desky 10 koncovky vytváří kleštinový spoj.

Horní část vodícího kanálu (viz obr. 7), určená k upevnění v hlavici palivového souboru, je vytvořena ve formě pouzdra 27 spojeného s trubkou 28 vodicího kanálu přes spirálu 29 prostřednictvím rotačního kování. Dolní část trubky 28 je spojena prostřednictvím svaření natupo s nástavcem 30 vodicího kanálu.

V dolní části koncovky (viz obr. 2, 8) je umístěn filtr 13 proti nečistotám, vytvořený ve formě desky 31 s průtočnými otvory 32 ve tvaru písmene V.

Konstrukce hlavice 6 (viz obr. 1, 9) je vytvořena s 19 nezávislými tlumicími pružinovými prvky 33 pro individuální upevnění vodicích kanálů 2.

V horní části svazku palivových elementů mezi distančními mřížkami 3 jsou umístěny mísicí mřížky 8 (viz obr. 1, 10) obsahují věnec 34 a sadu vzájemně se protínajících lamel ve formě pásů, spojených mezi sebou a s věncem v místech protínání, vytvářejících pole buněk 35 pro průchod palivových elementů a vodicích kanálů palivového souboru, vytvořených jako šestihranné, a trojhranných buněk 36, sousedících s šestihrannými buňkami, pro průchod chladiva, na jejichž koncích jsou vytvořeny mísicí lamelové deflektory 37 ohnuté směrem k trojhranným buňkám.

Navržený palivový soubor pracuje následujícím způsobem:

Po umístění palivového souboru do reaktoru je tento stlačen horní deskou reaktoru dosednutím na konec pláště hlavice 6. Pak je síla přenášena přes pružinový blok hlavice, který je stlačen v rozsahu vypočítaném takovým způsobem, aby nedocházelo k vznášení palivového souboru v proudu chladiva pohybujícího se zdola, na vodicí kanál 2 a dále na nosnou desce 10 a přes lamely 12 na nosné pouzdro 9 koncovky 5, která vstoupí do otvoru dolní desky reaktoru.

Distanční mřížky 3 a mísicí mřížky 8, spojené mezi sebou úhlovými prvky 4, tvoří skelet, který je prostřednictvím šroubků 7 spojen s koncovkou 5.

Chladivo vstupující do palivového souboru přes vstupní otvor nosného pouzdra 9 koncovky 5 prochází přes filtr 13 proti nečistotám, průtočné otvory nosné desky 10 a poté omývá palivové elementy 1 svazku a zahřívá se v důsledku kontaktu s povrchem palivového elementu. Palivové elementy 1, a spolu s nimi i skelet, se zahřívají v důsledku procesu štěpení jader uvnitř palivových elementů, začínají se prodlužovat vzhůru v důsledku tepelného a radiačního růstu; přičemž svazek roste nezávisle na vodicím kanálu 2, protože ten prochází skrze distanční mřížky 3 se zaručenou

- 4 CZ 310528 B6 mezerou. Tak svazek s palivovými elementy 1 nemá vliv na vodicí kanály 2 nesoucí silové zatížení a nedeformuje je.

Jedním z hlavních konstrukčních prvků palivového souboru jsou vodicí kanály 2, které vzájemně spojují hlavici 6 a koncovku 5.

Dolní nástavce 30 vodicích kanálů 2 jsou prostřednictvím šroubového spoje spolehlivě upevněny v nosné desce 10 koncovky 5 a se zaručeným napětím procházejí mezi buňkami antivibrační mřížky 11. Pouzdra 27 horních částí vodícího kanálu 2 procházejí skrze průchodky hlavice 6; přičemž hlavice je upevněna na pouzdrech vodicích kanálů prostřednictvím, například, kleštinového zámku.

Dolní nástavce palivových elementů 1 jsou prostřednictvím kleštinového spoje upevněny v nosné desce 10 koncovky 5 a procházejí skrze buňky 21 antivibrační mřížky 11 v důsledku napětí, vznikajících mezi pružnými prvky (vypukliny 22) buněk a pláštěm palivových elementů, jsou spolehlivě upevněny v antivibrační mřížce z hlediska axiální a radiální vůle. Antivibrační mřížka 11 je zase spolehlivě spojena prostřednictvím lamel 12 s koncovkou 5. To vylučuje možnost oděru a zničení nástavců palivových elementů během provozu vlivem vibrací proudu chladiva.

Použití navržené konstrukce nástavce 30 vodicího kanálu 2 umožňuje zvýšit spolehlivost spojení trubka-nástavec vodicího kanálu a prodloužit životnost palivového souboru.

Výroba této konstrukce může být prováděna na známém zařízení s využitím standardních technologií.

Claims (9)

1. Palivový soubor jaderného reaktoru, obsahující hlavici (6), koncovku (5), palivové elementy (1), vodicí kanály (2) a distanční mřížky (3), přičemž dolní nástavce palivových elementů (1) a dolní nástavce (30) vodicích kanálů (2) jsou upevněny v nosné desce (10) koncovky (5), vyznačující se tím, že nástavec (30) vodícího kanálu (2) je vytvořen ve formě konstrukce sestávající z objímky (14), v jejíž vnitřní dutině je umístěn šroub (15) a tento šroub fixující fixační šroub (16) se středovým otvorem (17), přičemž šroub (15) prochází skrze otvor nosné desky (10) koncovky (5) a prostřednictvím závitového spoje s maticí (18) upevňuje nástavec (30) vodicího kanálu (2) v nosné desce (10) koncovky (5), a v objímce (14) a fixačním šroubu (16) jsou vytvořeny čtyři radiální otvory (19) ústící do dutiny středového otvoru (17) fixačního šroubu.

2. Palivový soubor jaderného reaktoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že nad nosnou deskou (10) koncovky (5) je umístěna antivibrační mřížka (11) sestávající ze vzájemně spojených buněk (21), přičemž buňky (21) mřížky (11) jsou uspořádány dle hexagonálního schématu a mají šestihranný tvar se třemi podpěrami pro palivové elementy (1), uspořádanými 120 stupňů od sebe, tvořenými vypuklinami (22) na hranách tohoto šestihranu s výstupky směřujícími dovnitř buňky (21), přičemž antivibrační mřížka (11), nosná deska (10) koncovky (5) a nosné pouzdro (9) koncovky (5) jsou vzájemně spojeny upevňovacími prostředky vytvořenými ve formě šesti lamel (12).

3. Palivový soubor jaderného reaktoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že prvky spojující distanční mřížky (3) mezi sebou a s koncovkou (5) jsou rozmístěny po délce palivového souboru a jsou vytvořeny ve formě šesti úhlových profilů (4) s výztužnými žebry ve formě obrub (20) mezi distančními mřížkami (3).

4. Palivový soubor jaderného reaktoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že distanční mřížky (3) sestávají ze vzájemně spojených buněk (21), přičemž buňky (21) mřížky (3) jsou uspořádány dle hexagonálního schématu a mají šestihranný tvar se třemi podpěrami pro palivové elementy (1) uspořádanými 120 stupňů od sebe, tvořenými vypuklinami (22) na hranách tohoto šestihranu s výstupky směřujícími dovnitř buňky (21).

5. Palivový soubor jaderného reaktoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že dolní nástavec palivového elementu (1) je vytvořen ve formě válcové zátky (23), jejíž dolní část představuje pružný prstencový prvek (24) mající jeden podélný zářez (25) a válcový límec (26), který při vložení do otvoru nosné desky (10) koncovky (5) vytváří kleštinový spoj.

6. Palivový soubor jaderného reaktoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že horní část vodicího kanálu (2) určená k upevnění v hlavici (6) je vytvořena ve formě pouzdra (27) spojeného s trubkou (28) vodicího kanálu (2) přes spirálu (29) prostřednictvím rotačního kování.

7. Palivový soubor jaderného reaktoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že v dolní části koncovky (5) je umístěn filtr (13) proti nečistotám ve formě desky (31) s průtočnými otvory (32) ve tvaru písmene V.

8. Palivový soubor jaderného reaktoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že konstrukce hlavice (6) je vytvořena s 19 nezávislými tlumicími pružinovými prvky (33) pro individuální upevnění vodicích kanálů (2).

9. Palivový soubor jaderného reaktoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že v horní části palivových elementů (1) jsou mezi distančními mřížkami (3), umístěny mísicí mřížky (8) obsahující věnec (34) a sadu vzájemně se protínajících lamel ve formě pásů, spojených mezi sebou a s věncem v místech protínání, vytvářejících pole buněk (35) pro průchod palivových elementů (1) a vodicích kanálů (2), vytvořených jako šestihranné, a trojhranných buněk (36), sousedících s šestihrannými

- 6 CZ 310528 B6 buňkami (35), pro průchod chladiva, na jejichž koncích jsou vytvořeny mísicí lamelové deflektory (37) ohnuté směrem k trojhranným buňkám.