EA042938B1

EA042938B1 - FUEL ASSEMBLY OF THE NUCLEAR REACTOR CORE

Info

Publication number: EA042938B1
Application number: EA202291204
Authority: EA
Inventors: Александр Владиславович Дедуль; Михаил Петрович ВАХРУШИН; Георгий Ильич ТОШИНСКИЙ; Руслан Андреевич Конюхов; Юрий Владимирович Татаренко
Original assignee: Акционерное Общество "Акмэ-Инжиниринг"
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2023-04-06

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам ядерных реакторов (ЯР), и может быть использовано в ЯР, преимущественно с жидкометаллическими, в частности, с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ).The invention relates to nuclear power, and in particular to fuel assemblies of nuclear reactors (NR), and can be used in NR, mainly with liquid metal, in particular, with heavy liquid metal coolants (HLMC).

Уровень техникиState of the art

Известна тепловыделяющая сборка активной зоны (ТВС) ядерного реактора (патент РФ № 2298848), которая содержит твэлы, нижнюю и верхнюю решетки, шплинтующую проволоку, шестигранную трубу с хвостовиком. Хвостовик имеет в своей цилиндрической части наружную резьбу и снабжен прижимной гайкой. Нижняя решетка снабжена перфорированным упорным кольцом и состоит по высоте из двух частей, скрепленных между собой. В нижней части решетки по осям отверстий профрезерованы пазы под шплинтующую проволоку крепления концевиков твэлов.Known fuel assembly of the active zone (FA) of a nuclear reactor (RF patent No. 2298848), which contains fuel rods, lower and upper grids, cotter wire, a hexagonal pipe with a shank. The shank has an external thread in its cylindrical part and is equipped with a clamping nut. The lower grille is equipped with a perforated thrust ring and consists of two parts fastened together in height. In the lower part of the grate, along the axes of the holes, grooves are milled for the cotter wire for fastening the fuel rod ends.

Недостатком данного технического решения являются отсутствие дистанционирования твэлов по длине ТВС между опорными решетками, что может привести к их изгибу, и соответственно, к увеличению или уменьшению сечения каналов охлаждения определенных стержней и образованию горячих участков, что в свою очередь снижает эксплуатационную надежность ТВС.The disadvantage of this technical solution is the lack of spacing of the fuel rods along the length of the fuel assemblies between the support grids, which can lead to their bending, and, accordingly, to an increase or decrease in the cross section of the cooling channels of certain rods and the formation of hot spots, which in turn reduces the operational reliability of the fuel assemblies.

Известны оболочка твэла, твэл и ТВС (патент РФ № 2551432). Оболочка тепловыделяющего элемента для реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем представляет собой цельнокатаный трубчатый элемент со спирально закрученными ребрами, расположенными на наружной поверхности упомянутого элемента, выполненный из хромокремнистой стали ферритно-мартенситного класса, содержит четыре спирально закрученных ребра, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Твэл представляет собой упомянутую оболочку, герметизированную по торцам заглушками и размещенное внутри упомянутой оболочки ядерное топливо.Known fuel cladding, fuel rod and fuel assemblies (RF patent No. 2551432). The cladding of a fuel element for reactors with a heavy liquid metal coolant is a solid-rolled tubular element with spirally twisted ribs located on the outer surface of the said element, made of chrome-silicon steel of the ferritic-martensitic class, contains four spirally twisted ribs located at an equal distance from each other. The fuel element is said shell sealed at the ends with plugs and nuclear fuel placed inside said shell.

Для получения тепловыделяющей сборки в известном изобретении предлагается собранные твэлы устанавливать в силовой каркас с дистанционированием между собой по принципу ребро к ребру и фиксировать их в верхней, промежуточной и нижней решетках, установленных на силовом каркасе.To obtain a fuel assembly in a well-known invention, it is proposed to install the assembled fuel rods in a load-bearing frame with spacing between them according to the rib-to-rib principle and fix them in the upper, intermediate and lower gratings mounted on the load-bearing frame.

Однако в формуле и в описании к упомянутому патенту не раскрывается каким способом обеспечивается регулярное по высоте твэла дистанционирование ребро-по-ребру.However, in the formula and in the description of the mentioned patent, it is not disclosed how the rib-by-rib spacing, regular along the height of the fuel element, is provided.

Следует также отметить, что в упомянутом техническом решении отсутствует требование о необходимости определенной одинаковой угловой ориентации ребер каждого твэла в ТВС для достижения заявленной цели дистанционирования ребро-по-ребру. В отсутствии такого требования угловая ориентация ребер каждого твэла в ТВС будет носить случайный характер. При этом, учитывая, что количество твэлов в активной зоне (АКЗ) исчисляется тысячами или десятками тысяч, могут сложиться условия, когда в какой-то межтвэльной ячейке расстояние между плоскостями, где твэлы касаются ребро-поребру, будет достаточно большим. В результате появится возможность для прогибов твэлов навстречу друг другу, затеснения проходного сечения, уменьшения локального расхода и перегрева твэла. Кроме того, образовавшийся зазор, будет способствовать вибрационному износу твэлов, поскольку дистанционирование твэлов в таких ячейках будет осуществляться на большей пролетной базе. Открытым остается вопрос и о дистанционировании твэлов, размещенных на гранях ТВС, не имеющих опорных точек с внешней стороны ТВС, куда эти твэлы могут выпучиваться. Таким образом к недостаткам указанной ТВС можно отнести недостаточную эксплуатационную надежность.It should also be noted that in the mentioned technical solution there is no requirement for the need for a certain identical angular orientation of the ribs of each fuel element in the fuel assembly in order to achieve the stated goal of rib-by-rib spacing. In the absence of such a requirement, the angular orientation of the ribs of each fuel element in the FA will be random. At the same time, taking into account that the number of fuel elements in the core (AKZ) is in the thousands or tens of thousands, conditions may arise when, in some inter-fuel cell, the distance between the planes where the fuel elements touch edge-to-edge will be large enough. As a result, it will be possible for the fuel rods to bend towards each other, to crowd the flow area, to reduce the local flow rate and to overheat the fuel rod. In addition, the resulting gap will contribute to the vibrational wear of the fuel rods, since the spacing of the fuel rods in such cells will be carried out on a larger span base. The question of the spacing of fuel elements located on the faces of fuel assemblies that do not have reference points on the outer side of the fuel assemblies, where these fuel elements can bulge, remains open. Thus, the disadvantages of the specified fuel assemblies include insufficient operational reliability.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении эксплуатационной надежности ТВС за счет обеспечения максимально жесткого дистанционирования твэлов по всей длине с учетом допусков на шаг закрутки оболочек твэлов, и, особенно, в их верхней наиболее горячей части.The problem to be solved by the invention is to increase the operational reliability of fuel assemblies by providing the most rigid spacing of fuel rods along the entire length, taking into account the tolerances for the twist pitch of fuel claddings, and especially in their upper hottest part.

При реализации изобретения достигаются следующие технические результаты: уменьшается вероятность прогибов и вибраций твэлов и неравномерность расхода теплоносителя в ячейках, образованных соседними твэлами, примыкающими к твэлу по его периметру, имеющего наиболее высокую температуру оболочки. Этим достигается повышение эксплуатационной надежности и работоспособности твэлов.When implementing the invention, the following technical results are achieved: the probability of deflections and vibrations of fuel rods and the uneven flow of coolant in the cells formed by neighboring fuel rods adjacent to the fuel rod along its perimeter, which has the highest cladding temperature, are reduced. This achieves an increase in the operational reliability and performance of the fuel rods.

Указанная задача решается за счет того, что в тепловыделяющей сборке шестигранной или квадратной формы, содержащей стержневые твэлы, на наружной поверхности оболочки которых, выполненной из коррозионно-стойкой в ТЖМТ стали феррито-мартенситного класса, имеются равномерно размещенные по периметру спиральные ребра, нижнюю и верхнюю решетки, шплинтующую проволоку, проходящую через отверстия в концевиках твэлов и пазах решетки ТВС, оси которых ориентированы параллельно одной из граней ТВС, указанные твэлы жестко зафиксированы в одной из решеток ТВС таким образом, что для каждого твэла в ТВС угол между осью отверстия в концевике твэла, через которое проходит шплинтующая проволока, и серединой основания одного из ребер на торце оболочки твэла, в котором фиксируется концевик с отверстием, соответствует углу, при котором обеспечивается касание твэлов ребро-по-ребру на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла.This problem is solved due to the fact that in the fuel assembly of a hexagonal or square shape, containing rod fuel elements, on the outer surface of the shell, which is made of corrosion-resistant steel of the ferrite-martensitic class, there are spiral ribs evenly spaced along the perimeter, the lower and upper grid, cotter pin wire passing through the holes in the end caps of the fuel rods and the grooves of the grid of fuel rods, the axes of which are oriented parallel to one of the faces of the fuel rod, these fuel rods are rigidly fixed in one of the grids of the fuel rod in such a way that for each fuel rod in the fuel rod the angle between the axis of the hole in the fuel rod end cap , through which the cotter wire passes, and the middle of the base of one of the ribs at the end of the fuel element cladding, in which the end switch with the hole is fixed, corresponds to the angle at which the fuel elements touch edge-by-edge at a height at which the maximum temperature of the cladding is reached during reactor operation fuel rod.

Предложенное решение учитывает, что допуск на шаг закрутки ребер на оболочке твэла, который обусловлен упруго-пластическими свойствами металла оболочки, температурой нагрева оболочки при закрутке и усилиями закрутки, не может быть нулевым. Использование предложенной конструкции ТВСThe proposed solution takes into account that the tolerance for the pitch of the ribs on the fuel cladding, which is due to the elastic-plastic properties of the cladding metal, the cladding heating temperature during twisting, and the twisting forces, cannot be zero. Use of the proposed design of fuel assemblies

- 1 042938 позволяет не проводить селективный отбор оболочек по углу закрутки ребер, который приводит к снижению выхода годного продукта, а также снизить требования к величине допуска на шаг закрутки.- 1 042938 allows not to carry out selective selection of shells according to the angle of twist of the ribs, which leads to a decrease in the yield of a suitable product, as well as to reduce the requirements for the tolerance value per pitch of twist.

Жесткая фиксация твэлов с размещенными на наружной поверхности оболочки спиральными ребрами в решетке ТВС не случайным образом, а с обеспечением касания твэлов ребро-по-ребру на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла, позволяет исключить условия, когда в какой-то межтвэльной ячейке в области максимальных температур оболочки твэлов будут размещаться твэлы с минимальным и максимальным отклонениями от номинального шага закрутки ребер, что создаст возможность прогиба твэлов в этой ячейке навстречу друг другу, затеснения проходного сечения и повышения температуры в наиболее напряженной части твэла.Rigid fixation of fuel elements with spiral ribs placed on the outer surface of the cladding in the FA lattice, not randomly, but ensuring that the fuel elements touch edge-by-edge at a height at which the maximum temperature of the fuel cladding is reached during reactor operation, makes it possible to exclude conditions when, in some then fuel elements with minimum and maximum deviations from the nominal pitch of the ribs will be placed in the inter-fuel cell in the area of maximum temperatures of the fuel cladding, which will create the possibility of deflection of the fuel elements in this cell towards each other, crowding the flow area and increasing the temperature in the most stressed part of the fuel element.

Исключение выпучивания твэлов, размещенных на гранях ТВС обеспечивается чехлом (кожухом) ТВС в случае использования заявляемой ТВС в реакторах, работающих с частичными перегрузками топлива, либо касанием таких твэлов ребро-по-ребру с твэлами прилегающих ТВС или профилированной обечайки корзины АКЗ в реакторах, работающих без частичных перегрузок топлива.The exclusion of bulging of fuel elements located on the edges of fuel assemblies is ensured by a cover (casing) of fuel assemblies in the case of using the proposed fuel assemblies in reactors operating with partial refueling, or by touching such fuel elements edge-on-edge with the fuel elements of adjacent fuel assemblies or the profiled shell of the AKZ basket in reactors operating without partial refueling.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен твэл с фиксирующим отверстием в концевике, на фиг. 2 показано сечение А-А, на котором указан угол фиксации твэл в решетке ТВС, на фиг. 3 показано поперечное сечение квадратной бесчехловой ТВС на высоте, где реализуется максимальная температура твэла и обеспечивается точное касание ребро-по-по ребру, на фиг. 4 показано поперечное сечение шестигранной бесчехловой ТВС на высоте, где реализуется максимальная температура твэла и обеспечивается точное касание ребро-по-по ребру.The essence of the invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a fuel rod with a fixing hole in the trailer, in Fig. 2 shows the section A-A, which shows the angle of fixation of the fuel rod in the fuel assembly lattice, in Fig. 3 shows a cross-section of a square unjacketed fuel assembly at a height where the maximum temperature of the fuel element is realized and an accurate edge-to-edge contact is ensured, in Fig. Figure 4 shows a cross-section of a hexagonal unjacketed fuel assembly at a height where the maximum temperature of the fuel element is realized and accurate edge-to-edge contact is ensured.

Вариант осуществления изобретенияEmbodiment of the invention

Далее описан возможный, но не единственный, вариант осуществления заявленного изобретения.The following describes a possible, but not the only, embodiment of the claimed invention.

Твэл (фиг. 1) состоит из полой трубы (оболочки) 1, выполненной из коррозионностойкой в ТЖМТ стали феррито-мартенситного класса, помещенного в неё топлива, отражателей нейтронов, газового объема, пружины и других необходимых деталей (на фигуре не показаны). На наружной поверхности оболочки 1 равномерно расположены спиральные ребра 2 (предпочтительно четыре ребра) с шагом закрутки, обеспечивающим дистанционирование твэлов друг от друга при касании ребро-по-ребру в заданном числе плоскостей по высоте активной зоны при соответствующей угловой фиксации твэлов в ТВС. Уменьшение количества ребер на оболочке приведет для заданного числа плоскостей дистанционирования к уменьшению шага закрутки ребер, повышению гидравлического сопротивления АКЗ и усложнению технологии изготовления оболочек. Увеличение же количества ребер на оболочке вызовет неоправданное увеличение количества стали в АКЗ, что ухудшит ее физические характеристики.A fuel element (Fig. 1) consists of a hollow tube (shell) 1 made of ferrite-martensitic steel corrosion-resistant in HLMC, fuel placed in it, neutron reflectors, gas volume, springs and other necessary parts (not shown in the figure). On the outer surface of the shell 1, spiral ribs 2 (preferably four ribs) are evenly located with a twist pitch that ensures the spacing of the fuel elements from each other when touching edge-by-edge in a given number of planes along the height of the core with appropriate angular fixation of the fuel elements in the FA. For a given number of spacing planes, a decrease in the number of ribs on the shell will lead to a decrease in the twist pitch of the ribs, an increase in the hydraulic resistance of the anticorrosive protection, and a complication of the shell manufacturing technology. An increase in the number of ribs on the shell will cause an unjustified increase in the amount of steel in the AKZ, which will worsen its physical characteristics.

Герметизация оболочки твэла осуществляется двумя концевиками 3 (верхним и нижним), один из которых имеет заранее выполненный конструктивный элемент 4 (отверстие), для фиксирования твэла в решетке ТВС от осевого и углового перемещений. Концевик 3 с отверстием 4 герметизируют в торцевой части оболочки 1 твэла таким образом, чтобы обеспечить касание твэлов ребро-по-ребру в плоскости по высоте АКЗ, где реализуется максимальная температуры оболочки твэла. Для этого, используемыми при разработке реакторов методами, определяют сначала теплогидравлическим расчетом с учетом радиальной и осевой неравномерности поля энерговыделения высоту АКЗ, на которой достигается максимальная температура оболочки твэла. Далее осуществляют позиционирование под определенным углом нижнего/верхнего концевика 3 с заранее выполненным конструктивным элементом 4 (отверстием) для закрепления в соответствующей опорной решетке ТВС. Угловое позиционирование оси отверстия 4 в концевике 3 относительно положения одного из ребер 2 на оболочке 1 осуществляют с использованием приспособления (например, хомута с прорезями для ребер), расположенного в плоскости, перпендикулярной оси твэла, размещаемого на заданном, определенном ранее, расстоянии от одного из торцов оболочки 1 твэла, на котором реализуется максимальная температура оболочки 1. Затем с помощью шплинтующей проволоки осуществляют фиксацию концевиков 3 твэлов в одной из решеток ТВС от углового и осевого перемещений и свободное по скользящей посадке осевое перемещение концевиков 3 твэлов в другой решетке ТВС. При этом ТВС может быть чехловая или бесчехловая, и содержать, по меньшей мере, две опорные решетки (верхнюю и нижнюю).The fuel rod cladding is sealed by two end caps 3 (upper and lower), one of which has a pre-made structural element 4 (hole) for fixing the fuel rod in the fuel assembly grid from axial and angular movements. The end cap 3 with the hole 4 is sealed in the end part of the fuel cladding 1 in such a way as to ensure that the fuel ele- ments touch edge-by-edge in the plane along the ACB height, where the maximum temperature of the fuel cladding is realized. To do this, using the methods used in the development of reactors, first determine the thermal-hydraulic calculation, taking into account the radial and axial non-uniformity of the energy release field, the height of the AKZ, at which the maximum temperature of the fuel cladding is reached. Next, the lower/upper limit switch 3 is positioned at a certain angle with a pre-made structural element 4 (hole) for fixing in the corresponding support grid of the fuel assembly. The angular positioning of the axis of the hole 4 in the trailer 3 relative to the position of one of the ribs 2 on the shell 1 is carried out using a device (for example, a clamp with slots for the ribs) located in a plane perpendicular to the fuel rod axis, placed at a predetermined distance from one of the the ends of the cladding 1 of the fuel element, on which the maximum temperature of the cladding 1 is realized. Then, using a cotter wire, the end switches 3 of the fuel rods are fixed in one of the FA grids from angular and axial movements and the axial movement of the end switches 3 of the fuel rods in the other FA lattice is free along the sliding fit. In this case, the fuel assemblies can be sheathed or unsheathed, and contain at least two support grids (upper and lower).

Изобретение позволяет реализовать дистанционирование тепловыделяющего элемента с соседними твэлами (ребро по ребру) между верхней и нижней опорными (для твэлов) дистанционирующими решетками ТВС, причем наиболее точное дистанционирование ребро-по ребру с учетом допусков на шаг закрутки ребер реализуется в плоскости по высоте АКЗ, на которой твэлы имеют наиболее высокую температуру оболочки, что обеспечивает длительную эксплуатацию ТВС в среде ТЖМТ (свинец, эвтектический сплав свинца и висмута).EFFECT: invention makes it possible to implement spacing of a fuel element with adjacent fuel elements (rib by rib) between the upper and lower support (for fuel rods) spacer grids of fuel assemblies, and the most accurate spacing rib-by-rib, taking into account the tolerances for the pitch of the ribs, is implemented in the plane along the height of the CCA, at which fuel elements have the highest cladding temperature, which ensures long-term operation of fuel assemblies in an HLMT environment (lead, a eutectic alloy of lead and bismuth).

Промышленная применимостьIndustrial Applicability

Техническое решение согласно изобретению может быть использовано в энергетических установках с реактором с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (ТЖМТ) на основе свинца или сплавов на основе свинца и висмута. Предложенная конструкция ТВС позволяет увеличить срок эксплуатации ТВС в среде ТЖМТ.The technical solution according to the invention can be used in power plants with a reactor with a heavy liquid metal coolant (HLMC) based on lead or alloys based on lead and bismuth. The proposed design of fuel assemblies makes it possible to increase the service life of fuel assemblies in the HLMC environment.

Claims

Fuel assembly of the core of a nuclear reactor of square or hexagonal shape, containing rod fuel elements, on the outer surface of the shell, which is made of corrosion-resistant steel of the ferrite-martensitic class through the holes in the fuel rod ends and the grooves of the fuel assembly grid, the axes of which are oriented parallel to one of the fuel assembly faces, in which the specified fuel rods are rigidly fixed in one of the fuel assembly grids in such a way that for each fuel element in the fuel assembly the angle between the axis of the hole in the fuel rod end cap through which cotter wire, and the middle of the base of one of the ribs at the end of the fuel cladding, in which the end switch with a hole is fixed, corresponds to the angle at which the fuel ele- ments touch edge-by-edge at a height at which the maximum temperature of the fuel cladding is reached during reactor operation.