EA043185B1 - Активная зона ядерного реактора - Google Patents

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики, а именно к размещению бесчехловых тепловыделяющих сборок в активной зоне ядерных реакторов и направлено на обеспечение улучшения теплоотвода от тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах.

Уровень техники

Список сокращений, используемых в данном тексте:

ТВС - тепловыделяющая сборка;

твэл- тепловыделяющий элемент;

ЯР - ядерный реактор.

Известна активная зона модульного ЯР на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем (патент РФ № 2699229), сформированная вертикально установленными бесчехловыми тепловыделяющими сборками с силовыми элементами и расположенными в верхней части дистанционирующими поясками, с треугольной сеткой размещения цилиндрических тепловыделящих элементов (твэлов).

Известна активная зона водо-водяного ЯР (патент РФ № 2216056), в состав которой входят ТВС, содержащие гексагональный в поперечном сечении пучок твэлов в каркасе, размещенные с зеркальным отражением по граням. В указанном изобретении решается задача уменьшения неравномерности энерговыделения в активной зоне и предупреждение деформации ТВС за счет плотной упаковки ТВС между собой.

К недостаткам описанных выше решений следует отнести избыточный холостой расход теплоносителя в квадратных ячейках твэлов на гранях ТВС, что снижает среднюю температуру теплоносителя на выходе из активной зоны и ухудшает технико-экономические показатели энергоблока. Указанный недостаток обусловлен размещением ТВС в активной зоне с зеркальным отражением по граням.

Известно также техническое решение, описанное в патенте РФ № 261770, в котором предложена активная зона термоэмиссионного реактора-преобразователя ядерной энергетической установки, в которой электрогенерирующие каналы размещены по всей активной зоне по узлам правильной треугольной сетки, в том числе, и на стыках пучков электрогенерирующих каналов.

В известном техническом решении исключены холостые протечки теплоносителя на стыках граней пучков (ТВС) в случае их бесчехловой конструкции.

Однако техническая реализация известного изобретения обеспечит надежную эксплуатацию активной зоны только в случае плотной упаковки электрогенерирующих каналов (твэлов), когда шаг твэлов практически равен их диаметру.

При плотной упаковке твэлов в треугольной сетке относительная площадь свободного поперечного сечения в активной зоне для прохода теплоносителя (объёмная доля теплоносителя), ε, вычисляемая по формуле ^{ε =} 1 ~^πΜ ²М, где s относительный шаг твэлов, равный отношению шага твэлов в треугольной сетке α, к диаметру твэла d, (в данном случае s=1), равна 9.25%. Это подходит для термоэмиссионного реактора очень малой мощности, заявленного а патенте РФ № 261770. Для энергетических реакторов объёмная доля теплоносителя ε лежит в диапазоне 30-50%. Такое значение объёмной доли теплоносителя можно обеспечить при относительном шаге твэлов s, лежащем в диапазоне 1,1-1,3, т.е. при наличии зазоров между твэлами. В этом случае для исключения прогибов твэлов, создающих локальное затеснение проходного сечения теплоносителя, вызывающего перегрев твэлов, и устранения вибраций твэлов, повреждающих тонкостенную оболочку, необходимо обеспечить дистанционирование твэлов по высоте активной зоны.

Раскрытие изобретения

Технической задачей изобретения является повышение мощности реактора при сохранении общего расхода теплоносителя и средней температуры теплоносителя на выходе из активной зоны, а также повышение надежности правильного размещения ТВС в соответствующих местах активной зоны.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в снижении максимальной температуры оболочки твэла, уменьшении коррозионного износа и увеличении длительной прочности материала оболочки твэла, которая чувствительна к повышению температуры, а также в исключении ошибочного размещения ТВС в активной зоне.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в активной зоне ядерного реактора, включающей шестигранные бесчехловые тепловыделяющие сборки с тепловыделяющими элементами, размещёнными по треугольной сетке, шаг размещения которых больше диаметра оболочек твэлов, тепловыделяющие элементы снабжены дистанционирующими спиральными ребрами на оболочке и жестко зафиксированы с заданной угловой ориентацией таким образом, что обеспечивается касание твэлов ребро-по-ребру на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла, и тепловыделяющие сборки размещены так, что тепловыделяющие элементы, расположенные на гранях соседних тепловыделяющих сборок, образуют единую треугольную сетку с остальными тепловыделяющими элементами в активной зоне, и касание всех твэлов активной зоны ребро-поребру обеспечивается на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла.

- 1 043185

Заданное расположение ТВС обеспечивается путем использования механических шифраторов в опорной решетке ТВС и решетке активной зоны, в которой крепятся ТВС, выполненных по принципу ключ-замок.

Основная техническая задача, которую обеспечивает конструкция механического шифратора - это техническая невозможность установки ТВС в ненадлежащее место, и/или с ненадлежащей ориентацией по угловому положению, даже с учетом потенциальных ошибочных действий персонала, осуществляющего сборку активной зоны.

Одним из вариантов реализации шифратора является использование пустотелых пальцев, одним концом закрепленных в нижней опорной решетке активной зоны любым известным способом. Второй конец пальца должен выступать наружу в направлении нижней решетки ТВС. При этом в нижней решетке ТВС строго напротив пальца должно быть отверстие. При совпадении правильного положения пальца и соответствующего ему отверстия, палец погружается в отверстие и ТВС может быть установлена в нижнюю опорную решетку активной зоны. Если палец не попадает в отверстие, то он упирается в нижнюю решетку ТВС и не позволяет опустить ТВС в нижнее рабочее положение, что может быть надежно зафиксировано.

Геометрическое расположение пальцев и соответствующих им отверстий должно быть уникальным для каждой группы ТВС и/или отдельных ТВС и обеспечено при конструировании активной зоны и на производстве. При необходимости может использоваться несколько пальцев и, соответственно, несколько соответствующих им отверстий в опорной плите. При этом, как минимум, один из пальцев в разных группах ТВС и/или отдельных ТВС должен отличаться расположением.

Альтернативным решением, обеспечивающим тот же технический результат, является использование пустотелых пальцев, закрепленных в нижней решетке ТВС и соответствующих им отверстий в нижней опорной решетке активной зоны. Могут применяться также пальцы разного сечения (например, круглые, квадратные, треугольные, с каналами для прохода теплоносителя или без них). Основное требование, которое должно выполняться - это физическая невозможность установки ТВС в ненадлежащее положение и/или неверная угловая ориентация ТВС.

Указанные пальцы могут применяться, например, для групп ТВС с различным обогащением урана (с различным содержанием плутония для смешанного уран-плутониевого топлива).

В предложенном решении твэлы, находящиеся на гранях ТВС, образуют единую треугольную сетку твэлов активной зоны, что исключает избыточный расход теплоносителя в ячейках твэлов на гранях ТВС, при этом одинаковое расстояние между твэлами внутри ТВС и твэлами, расположенными на гранях соседних ТВС, обеспечивается за счет наличия дистанционирующих спиральных ребер на оболочках твэлов и расположения ТВС таким образом, что для всех твэлов активной зоны обеспечивается касание твэлов ребро-по-ребру на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла.

Расположение твэлов соседних ТВС на границах этих ТВС, геометрически идентичное расположению твэлов внутри ТВС, создает одинаковое гидравлическое сопротивление в окрестности всех твэлов. При таком расположении твэлов в треугольной сетке, любой из твэлов окружен 6-ю твэлами, находящимися на одинаковом расстоянии от него. Вокруг каждого твэла существуют 6 идентичных условных каналов для протока теплоносителя, ограниченных линиями, соединяющими центры соседних твэлов и оболочками твэлов. Любое отклонение компоновки твэлов от описанной выше компоновки приводит к формированию условных каналов с увеличенным проходным сечением. Гидравлическое сопротивление продольному течению в таких каналах уменьшается, что ведет к формированию, так называемых, холостых протечек. Из-за повышенного расхода теплоносителя через такие каналы, подогрев теплоносителя в них уменьшается, а в других каналах с затесненным сечением, к уменьшению расхода, повышению подогрева теплоносителя и увеличению температуры оболочек твэлов.

Жесткая фиксация твэлов с размещенными на наружной поверхности оболочки спиральными ребрами в решетке ТВС и, соответственно, ТВС в активной зоне заданным образом с обеспечением касания твэлов ребро-по-ребру на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла, позволяет создать вокруг каждого твэла идентичные условные каналы.

Исключение холостых протечек теплоносителя на стыках граней ТВС в случае их бесчехловой конструкции при размещении твэлов в ТВС по треугольной сетке приводит к увеличению расхода теплоносителя в стандартных треугольных ячейках, что снижает максимальную температуру оболочки твэла, уменьшению коррозионного износа и увеличению длительной прочности материала оболочки твэла, которая чувствительна к повышению температуры. Это позволяет повысить мощность реактора при сохранении общего расхода теплоносителя и средней температуры теплоносителя на выходе из активной зоны.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема размещения ТВС 1 с заданной ориентацией в активной зоне, при которой твэлы 2, образуют единую треугольную сетку. В нижних концевиках твэлов 2 выполнены отверстия 3, в которые вставлена проволока, ориентирующая твэлы 2 в ТВС 1. На фиг. 1 также показаны пальцы 4, ориентирующие ТВС 1 в опорной решетке активной зоны, в которой крепятся ТВС 1, предназначенные

- 2 043185 для размещения ТВС 1 с заданной ориентацией в активной зоне, и пальцы 5, устанавливающие ТВС по обогащению, если ТВС 1 содержат твэлы 2 с различным обогащением урана (с различным содержанием плутония для смешанного уран-плутониевого топлива), а также отверстия 6 устанавливающие (ориентирующие) решетки опорной 7, в которые вставляются соответствующие пальцы при сборке ТВС 1 в активной зоне.

На фиг. 2 показано сечение а-а активной зоны, на котором показаны твэлы 2, решетка опорная 7 ТВС 1, отверстия 3 в твэлах и проволока ориентирующие твэлы 2 в ТВС 1, пальцы 4, ориентирующие ТВС 1 в активной зоне, пальцы 5, устанавливающие ТВС 1 по обогащению, отверстия устанавливающие (ориентирующие) 6 решетки опорной активной зоны.

Вариант осуществления изобретения

Для реализации представленной на фиг. 1 схемы размещения ТВС в активной зоне используют шестигранные бесчехловые ТВС 1, в которых твэлы 2 с дистанционирующими спиральными ребрами на оболочке установлены в решетках ТВС 1 по треугольной сетке. ТВС 1 размещают в активной зоне таким образом, что твэлы 2, образуют треугольную сетку, при этом расстояние между осями соседних твэлов 2, расположенных в разных ТВС 1 на их гранях, равно расстоянию между осями соседних твэлов 2, находящихся внутри ТВС 1.

В ТВС 1 осуществляют фиксацию твэлов 2 в опорной решетке 7 ТВС 1 от углового и осевого перемещений и свободное по скользящей посадке осевое перемещение концевиков твэлов 2 в другой решетке ТВС 1. Фиксацию твэлов 2 осуществляют таким образом, чтобы обеспечить касание твэлов 2 ребро-поребру в плоскости по высоте активной зоны, где реализуется максимальная температуры оболочки твэла 2. Для этого, используемыми при разработке реакторов методами, определяют сначала теплогидравлическим расчетом с учетом осевой неравномерности поля энерговыделения высоту активной зоны, на которой достигается максимальная температура оболочки твэла. Далее осуществляют позиционирование под определенным углом нижних концевиков твэлов 2 с заранее выполненными отверстиями 3 для закрепления с помощью проволоки в отверстиях решетки опорной 7 ТВС 1.

Затем с помощью шплинтующей проволоки осуществляют фиксацию концевиков твэлов 2 в опорной решетке 7 ТВС 1 от углового и осевого перемещений и свободное по скользящей посадке осевое перемещение концевиков твэлов 2 в другой решетке ТВС 1.

Заданное расположение ТВС 1 обеспечивают путем использования пальцев 4 и, при необходимости, пальцев 5 в опорной решетке 7 ТВС 1 и решетке активной зоны, в которой крепится ТВС 1. Пальцы 4, 5 выполнены пустотелыми.

Активная зона работает следующим образом.

Теплоноситель поступает в активную зону и равномерно распределяется по каналам, образованным между твэлами 2, как внутри ТВС 1, так и между ТВС 1.

Промышленная применимость

Заявленная активная зона используется в ядерных реакторах, активная зона которых включает шестигранные бесчехловые тепловыделяющие сборки с тепловыделяющими элементами, размещёнными по треугольной сетке, шаг размещения которых больше диаметра оболочек твэлов.

Перечень ссылочных обозначений, используемых на чертежах:

- ТВС,

- твэл,

- отверстия в твэл и проволока ориентирующие твэлы в ТВС,

- пальцы шифраторы ориентирующие ТВС,

- пальцы шифраторы устанавливающие ТВС по обогащению,

- отверстия устанавливающие (ориентирующие) решетки опорной активной зоны,

- решетка опорная ТВС.

Claims (10)

1. Активная зона ядерного реактора, включающая шестигранные бесчехловые тепловыделяющие сборки с тепловыделяющими элементами, размещёнными по треугольной сетке, шаг размещения которых больше диаметра оболочек твэлов, отличающаяся тем, что тепловыделяющие элементы снабжены дистанционирующими спиральными ребрами на оболочке и жестко зафиксированы с заданной угловой ориентацией таким образом, что обеспечивается касание твэлов ребро-по-ребру на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла, и тепловыделяющие сборки размещены так, что тепловыделяющие элементы на гранях ТВС образуют единую треугольную сетку с остальными тепловыделяющими элементами в активной зоне, и касание всех твэлов активной зоны ребро-по-ребру обеспечивается на высоте, на которой при работе реактора достигается максимальная температура оболочки твэла.

2. Активная зона ядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что решетка ТВС и решетка активной зоны, в которой крепится ТВС, снабжены по крайней мере одним механическим шифратором в виде пальца и отверстия, выполненным по принципу ключ-замок.

- 3 043185

3. Активная зона ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что пальцы выполнены пустотелыми.

4. Активная зона ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что палец одним концом закреплен в нижней опорной решетке активной зоны, другой конец пальца выступает наружу в направлении нижней решетки ТВС, в которой строго напротив пальца выполнено отверстие.

5. Активная зона ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что геометрическое расположение пальцев и соответствующих им отверстий уникально для каждой группы ТВС и/или отдельных ТВС.

6. Активная зона ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что палец закреплен в нижней решетке ТВС и соответствующее ему отверстие выполнено в нижней опорной решетке активной зоны.

7. Активная зона ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что палец выполнен в форме цилиндра.

8. Активная зона ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что палец выполнен в форме четырехугольной призмы.

9. Активная зона ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что палец выполнен в форме трехугольной призмы.

10. Активная зона ядерного реактора по п.2, отличающаяся тем, что палец снабжен каналами для прохода теплоносителя.