RU2220464C2

RU2220464C2 - Fuel assembly

Info

Publication number: RU2220464C2
Application number: RU2002104121/06A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Блинков; Э.А. Болтенко
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-12-27

Abstract

FIELD: power engineering; water heating devices including nuclear power plants. SUBSTANCE: proposed fuel assembly characterized in enlarged heat-transfer surface and easy subchannel-to-subchannel displacement has hollow fuel elements whose hollow spaces are connected at inlet and outlet to inlet and outlet chambers, respectively; fuel elements are spaced h distance apart and have holes arranged over their length and used to provide communication between inner spaces of fuel elements and fuel assembly space between fuel elements. EFFECT: enhanced fuel rating and reliability of fuel assembly. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в устройствах для нагрева воды, например, в ядерных энергетических установках. The invention relates to energy and can be used in devices for heating water, for example, in nuclear power plants.

Известна конструкция тепловыделяющей сборки, ТВС, содержащая корпус с входной и выходной камерами, а также с промежуточным коллектором и продольно установленными трубчатыми твэлами, последние из которых одними концами укреплены в трубной доске, а другими заведены в упомянутый промежуточный коллектор, причем камеры отделены одна от другой и расположены со стороны трубной доски твэлов (В.Д. Терентьев. Основы тепловых и гидравлических расчетов судовых ядерных реакторов и парогенераторов. Издательство Судостроение. Л-д. 1967. С.51). A known design of a fuel assembly, fuel assembly, comprising a housing with an input and output chambers, as well as with an intermediate manifold and longitudinally mounted tubular fuel rods, the latter of which are fixed at one end with a pipe and the other brought into the said intermediate manifold, the chambers being separated from one another and located on the side of the tube plate of the fuel rods (VD Terentyev. Fundamentals of thermal and hydraulic calculations of ship nuclear reactors and steam generators. Sudostroenie Publishing House. L-d. 1967. S.51).

Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что с помощью концентрически установленных тепловыделяющих элементов (твэлов) невозможно создать тепловыделяющую сборку ТВС большой мощности. Это связано с тем, что достаточно сложно создать трубчатые элементы большого диаметра (с увеличением числа концентрически установленных твэлов в сборке их размер увеличивается). Кроме того, в таких ТВС каналы, по которым движется вода, гидравлически не связаны. Последнее может привести к неустойчивой работе ТВС, срыву циркуляции, ухудшению теплосъема из-за уменьшения расхода в каком-либо из каналов, выходу из строя ТВС. The main disadvantage of this design is that it is impossible to create a fuel assembly of high power fuel assemblies using concentrically mounted fuel elements (fuel elements). This is due to the fact that it is rather difficult to create tubular elements of large diameter (with an increase in the number of concentrically mounted fuel rods in the assembly, their size increases). In addition, in such fuel assemblies, the channels through which water moves are not hydraulically connected. The latter can lead to unstable operation of fuel assemblies, disruption of circulation, deterioration of heat removal due to a decrease in flow rate in any channel, failure of fuel assemblies.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является тепловыделяющая сборка, содержащая корпус с входной и выходной камерами и установленные в трубных досках тепловыделяющие элементы (Ф. Я. Овчинников, В.В. Семенов. Эксплуатационные режимы ВВЭР. -M.: Энергоатомиздат. 1988 г. С.149). The closest in technical essence to the proposed technical solution is a fuel assembly containing a housing with an inlet and outlet chambers and fuel elements installed in tube boards (F. Ya. Ovchinnikov, VV Semenov. VVER operational modes. -M .: Energoatomizdat. 1988, p. 149).

Основной недостаток ТВС такого типа связан с их низкой энергонапряженностью. The main drawback of this type of fuel assemblies is their low energy intensity.

Последнее обусловлено следующим. The latter is due to the following.

Поскольку запасы до кризиса теплообмена определяются по среднесмешанным параметрам сборки (по сечению) расчетные значения критических тепловых потоков КТП могут значительно отличаться от тех, которые имеют место в реальной ситуации. Это обусловлено тем, что в ТВС всегда присутствуют необогреваемые элементы (ПЭЛ, стержни СУЗ), наличие которых приводит к значительному снижению КТП, по сравнению с теми КТП, которые имеют место в ТВС с теплогидравлически равноценными ячейками. В настоящее время практически отсутствуют методики расчета КТП в ТВС с теплогидравлически неравноценными ячейками. Методики, используемые для оценок запасов до кризиса, несовершенны и определяют КТП с большой погрешностью (Pometko R.S., Boltenko E.A. et all. The critical Heat Flux in WWER Fuel Subas-sembly Model with Nonuiform Crossectional Parameters Distubution / NURETH-8, September 30-October, 1997, Japan). Since the reserves before the heat transfer crisis are determined by the average mixed parameters of the assembly (cross-section), the calculated values of the critical heat fluxes of the heat exchangers can significantly differ from those that take place in a real situation. This is due to the fact that fuel assemblies always contain unheated elements (PELs, CPS rods), the presence of which leads to a significant decrease in the thermal transfer coefficient compared with the thermal transfer elements that occur in fuel assemblies with thermohydraulically equivalent cells. Currently, there are practically no methods for calculating the thermal transfer coefficient in fuel assemblies with thermohydraulically unequal cells. The methods used to estimate stocks before the crisis are imperfect and determine the CFT with a large error (Pometko RS, Boltenko EA et all. The critical Heat Flux in WWER Fuel Sub-sembly Model with Nonuiform Crossectional Parameters Distubution / NURETH-8, September 30-October 1997 Japan).

Для того, чтобы избежать аварийных ситуаций, связанных с неверным определением КТП, запасы до кризиса завышают, тем самым снижая энергонапряженность и соответственно экономичность ТВС. In order to avoid emergencies associated with the incorrect determination of KTP, stocks are overstated before the crisis, thereby reducing energy stress and, accordingly, fuel assemblies economy.

Одна из причин низких значений КТП в ТВС такой конструкции в том, что теплоноситель по сечению ТВС слабо перемешивается. Последнее приводит к тому, что в ячейках ТВС теплоноситель имеет различные параметры (температуры, скорости и т.д.). Любое возмущение на входе передается практически на выход сборки. В связи с этим локальное ухудшение теплогидравлической обстановки в ячейке ТВС приводит к локальному ухудшению температурного режима твэла (при соответствующих тепловых потоках) - кризису теплосъема выходу его и соответственно ТВС из строя. One of the reasons for the low values of thermal efficiency in fuel assemblies of this design is that the coolant along the fuel assembly cross section is weakly mixed. The latter leads to the fact that in the cells of a fuel assembly the coolant has various parameters (temperature, speed, etc.). Any disturbance at the input is transmitted practically to the output of the assembly. In this regard, a local deterioration of the thermohydraulic situation in the fuel assembly cell leads to a local deterioration in the temperature of the fuel element (with the corresponding heat fluxes) —the heat removal crisis causes its failure and, accordingly, the FA.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении энергонапряженности и надежности ТВС за счет увеличения поверхности теплосъема, улучшения межъячеечного перемешивания, образования тепловых и гидравлических обратных связей между внутренними и наружными теплоотдающими поверхностями твэла, внутренними полостями твэла и межтвэльным пространством, что обеспечивается тем, что тепловыделяющие элементы выполнены полыми, причем внутренние полости тепловыделяющих элементов соединены соответственно с входными и выходными камерами, а по длине тепловыделяющие элементы с шагом h снабжены отверстиями, соединяющими внутренние полости тепловыделяющих элементов и межтвэльный объем ТВС. The technical result to which the invention is directed is to increase the energy intensity and reliability of a fuel assembly by increasing the heat removal surface, improving intercellular mixing, the formation of thermal and hydraulic feedbacks between the internal and external heat transfer surfaces of the fuel element, the internal cavities of the fuel element and the interfuel space, which is ensured by that the fuel elements are hollow, and the internal cavities of the fuel elements are connected respectively venno with inlet and outlet chambers, and along the length of the fuel elements with step h provided with openings connecting the inner cavity of fuel rods and fuel assemblies mezhtvelny volume.

Технический результат достигается также за счет того, что шаг размещения отверстий по длине твэла выбран из следующего условия

Технический результат достигается также за счет того, что число отверстий n_отв и их величина d_отв выбраны из следующих условий
n_отв≤n_яч;
d_отв≤S_MTB/2 или (F_отв≤f_mtb);
где h - шаг размещения отверстий по длине твэла;
h_др - шаг размещения дистанционирующих решеток;
L_тв - длина твэла;
n_отв - число отверстий;
n_яч - число ячеек, с которыми граничит твэл;
s_МТВ - межтвэльное расстояние;
d_отв - диаметр отверстия;
F_мтв - проходное сечение межтвэльного зазора;
F_отв - площадь отверстия.The technical result is also achieved due to the fact that the pitch of the holes along the length of the fuel rod is selected from the following conditions

Technical results are also achieved by the fact that the number of holes n _holes and their size d _{of holes} are selected of the following conditions
_{Cell #} n _holes ≤n;
d _holes ≤S _MTB / 2 or (F _holes ≤f _mtb);
where h is the pitch of the holes along the length of the fuel rod;
h _dr - step placement spacing grids;
L _TV - the length of the fuel rod;
_otv n - number of holes;
n _cells - the number of cells with which the fuel element borders;
s _MTV - interbar distance;
d _resp - hole diameter;
F _mtv - the passage section of the interveolar gap;
F _resp - the area of the hole.

На фиг. 1 представлена схема тепловыделяющей сборки ТВС. ТВС включает в себя следующие элементы. In FIG. 1 presents a diagram of a fuel assembly of a fuel assembly. TVS includes the following elements.

1 - корпус ТВС, служит для размещения тепловыделяющих элементов твэлов и создания требуемых по условиям работы режимных параметров. 1 - the fuel assembly housing, serves to place the fuel elements of the fuel elements and create the required operational parameters under the operating conditions.

2 - входная камера, служит для подачи теплоносителя и распределения его между внутренними полостями твэлов и межтвэльным объемом. Подключена к источнику подачи теплоносителя. 2 - inlet chamber, serves to supply coolant and distribute it between the internal cavities of the fuel rods and the inter-fuel volume. Connected to a coolant supply source.

3 - выходная камера, служит для сбора теплоносителя, выходящего из твэлов и межтвэльного объема. Подключена к потребителю. 3 - output chamber, serves to collect the coolant emerging from the fuel rods and inter-fuel volume. Connected to consumer.

4 - тепловыделяющие элементы твэлы фиксированы в трубных решетках, снабжены внутренними полостями 7, соединенными на входе и выходе с входной и выходной камерами. Твэлы также снабжены отверстиями 8, соединяющими внутренние полости твэлов и межтвэльный объем ТВС. 4 - fuel elements of the fuel elements are fixed in the tube sheets, equipped with internal cavities 7, connected at the input and output with input and output cameras. The fuel rods are also equipped with holes 8 connecting the internal cavities of the fuel rods and the inter-fuel volume of the fuel assembly.

5 - трубная доска, служит для фиксации твэлов. 5 - tube board, serves to fix the fuel rods.

6 - трубная доска, служит для фиксации твэлов. 6 - tube board, serves to fix the fuel rods.

7 - внутренние полости твэлов. 7 - the internal cavity of the fuel rods.

8 - отверстия для соединения внутренних полостей твэлов и межтвэльного объема. 8 - holes for connecting the internal cavities of the fuel rods and the inter-fuel volume.

9 - дистанционирующие решетки. 9 - spacer grids.

Тепловыделяющая сборка - ТВС работает следующим образом. The fuel assembly - fuel assembly works as follows.

Теплоноситель, поданный во входную камеру 2, распределяется между внутренними полостями твэлов 7 и межтвэльным объемом. Распределение расходов теплоносителя происходит в соответствии с гидравлическими сопротивлениями внутренних полостей твэлов и межтвэльного объема. Далее теплоноситель, проходя через межтвэльный объем и внутренние полости твэлов, за счет тепловыделения в твэлах нагревается до требуемого значения и собирается в выходной камере 3. The coolant supplied to the inlet chamber 2 is distributed between the internal cavities of the fuel rods 7 and the inter-fuel volume. The distribution of coolant costs occurs in accordance with the hydraulic resistances of the internal cavities of the fuel rods and the inter-fuel volume. Next, the coolant, passing through the inter-fuel volume and internal cavities of the fuel rods, is heated to the required value due to heat generation in the fuel rods and is collected in the output chamber 3.

Рассмотрим случай нарушения теплосъема на какой-либо из теплоотдающих поверхностей твэла. Допустим, что кризис имеет место на выпуклой теплоотдающей поверхности какого-либо твэла, т.е. снаружи твэла. В этом случае срабатывает обратная тепловая связь между вогнутой и выпуклой теплоотдающей поверхностью твэла. Тепло в твэле перераспределяется, плотность теплового потока на выпуклой поверхности становится ниже, восстанавливается нормальный режим теплосъема. Consider the case of violation of heat removal on any of the heat transfer surfaces of a fuel element. Suppose that a crisis occurs on the convex heat-transfer surface of a fuel element, i.e. outside the fuel rod. In this case, the inverse thermal connection between the concave and convex heat-transfer surface of the fuel element is triggered. The heat in the fuel rod is redistributed, the heat flux density on the convex surface becomes lower, the normal mode of heat removal is restored.

Гидравлическая обратная связь реализуется путем перетоков теплоносителя через отверстия из внутренних полостей твэлов в межтвэльное пространство (или наоборот). Этим самым теплоноситель перемешивается по сечению ТВС, улучшая тем самым теплосъем с теплоотдающих поверхностей. Hydraulic feedback is realized by transferring the coolant through the holes from the internal cavities of the fuel elements into the inter-space (or vice versa). Thereby, the heat carrier is mixed along the fuel assembly cross section, thereby improving heat removal from heat-transferring surfaces.

Размещение отверстий по высоте твэла осуществляется на основе следующих условий. The placement of the holes along the height of the fuel rod is based on the following conditions.

Шаг размещения выбирается из условия:

т. е. , если твэл не слишком длинный, достаточно выполнить один пояс отверстий посредине твэла h= L_ТВ/2. Если твэл длинный, возможно размещение отверстий на расстоянии, равном 2 шагам дистанционирующих решеток, посредине между ними, фиг. 1.The placement step is selected from the condition:

that is, if the fuel rod is not too long, it is enough to make one belt of holes in the middle of the fuel rod h = L _TV / 2. If the fuel rod is long, it is possible to place the holes at a distance equal to 2 steps of the spacing grids in the middle between them, FIG. 1.

Оптимальное размещение отверстий по высоте возможно после гидравлических проливок, в этом случае шаг размещения выбирается исходя из условия равенства потерь на трение в межтвэльном пространстве и во внутренних полостях. The optimal placement of the holes in height is possible after hydraulic spillages, in this case, the placement step is selected based on the condition of equal friction losses in the inter-space and in the internal cavities.

Размещение отверстий по периметру твэла выбирается исходя их схемы размещения твэлов. На фиг.2, 3 показаны варианты размещения отверстий для квадратной и треугольной упаковок. The location of the holes along the perimeter of the fuel rod is selected based on their layout of the fuel rods. Figure 2, 3 shows the placement of holes for square and triangular packaging.

Во всяком случае n_отв≤n_яч.Anyway n _holes ≤n _{The ball.}

Соответсвенно d_отв≤S_мтв/2 или (F_отв≤F_мтв),
где S_мтв - межтвэльное расстояние;
d_отв - диаметр отверстия;
F_мтв - проходное сечение межтвэльного зазора;
F_отв - площадь отверстия.Correspondingly _holes ≤S _MTV d / 2 or (F _holes ≤F _MTV)
where S _mtv - interbar distance;
d _resp - hole diameter;
F _mtv - the passage section of the interveolar gap;
F _resp - the area of the hole.

В качестве примера рассмотрим тепловыделяющую сборку реакторной установки ВВЭР-1000. As an example, consider the fuel assembly of a VVER-1000 reactor plant.

Тепловая мощность - 3000 МВт. Thermal power - 3000 MW.

Число сборок - 163. The number of assemblies is 163.

Число имитаторов в ТВС - 312. The number of simulators in fuel assemblies is 312.

Мощность одного твэла

Плотность теплового потока

Допустим, что ТВС набрана из трубчатых твэлов наружным диаметром 9,1 мм и внутренним 4 мм. В этом случае суммарная теплоотдающая поверхность твэла - 0,144 м².Power of one fuel rod

Heat flux density

Suppose that a fuel assembly is composed of tubular fuel rods with an outer diameter of 9.1 mm and an inner 4 mm. In this case, the total heat transfer surface of the fuel element is 0.144 m ² .

Предполагая, что средняя плотность теплового потока осталась прежней, т. е. q=0,58 МВт/м², получим, что мощность рассматриваемой ТВС N_твс= 0,58•0,144312•163 ≈ 4246 МВт, т. е. тепловая мощность ТВС только за счет увеличения поверхности теплосъема может быть увеличена ~ на 41,5%, электрическая мощность при этом составит ~1400 МВт, запасы до кризиса при этом будут повышены. Учитывая наличие тепловых и гидравлических обратных связей, а также тот известный экспериментальный факт, что КТП на вогнутой теплоотдающей поверхности выше, чем на выпуклой, возможно повысить средний тепловой поток. В этом случае тепловую мощность ТВС можно довести до 4500-5000 МВт, электрическая мощность при этом составит 1500-1700 МВт. При этом запасы до кризиса не снизятся.Assuming that the average heat flux density remains the same, i.e., q = 0.58 MW / m ² , we find that the power of the fuel assembly under consideration is N _TVS = 0.58 • 0.144312 • 163 ≈ 4246 MW, i.e. the thermal power of a fuel assembly can only be increased by ~ 41.5% due to an increase in the heat removal surface, while the electric power will be ~ 1400 MW, while reserves before the crisis will be increased. Given the presence of thermal and hydraulic feedbacks, as well as the well-known experimental fact that the heat transfer coefficient on a concave heat transfer surface is higher than on a convex one, it is possible to increase the average heat flux. In this case, the thermal power of a fuel assembly can be brought up to 4,500–5,000 MW, while the electric power will be 1,500– 1,700 MW. At the same time, stocks will not decrease before the crisis.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить энергонапряженность ТВС, увеличить ее надежность за счет увеличения поверхности теплосъема, улучшения межъячеечного перемешивания, образования тепловых и гидравлических обратных связей между внутренними и наружными теплоотдающими поверхностями твэла, внутренними полостями твэла и межтвэльным пространством. Thus, the proposed technical solution allows to increase the energy density of a fuel assembly, increase its reliability by increasing the heat removal surface, improving intercellular mixing, the formation of thermal and hydraulic feedback between the internal and external heat-transfer surfaces of the fuel element, the internal cavities of the fuel element and the inter-space.

Claims

1. A fuel assembly comprising a housing with an input and output chambers and fuel elements installed in the tube boards, characterized in that the fuel elements are hollow, and the internal cavities of the fuel elements are connected at the inlet and outlet, respectively, with the input and output chambers, and along the length of the fuel elements elements with a step h are provided with holes connecting the internal cavities of the fuel elements and the inter-volume.

2. The fuel assembly according to claim 1, characterized in that the step of placing the holes h is selected from the condition

where h is the pitch of the holes along the length of the fuel rod;

h _dr - step placement spacing grids;

L _TV - the length of the fuel rod.

3. The fuel assembly according to claim 1, characterized in that the number of holes and their size are selected from the following conditions:

n ≤ n _{The ball} _holes;

d _holes _MTV ≤ S / 2 or F _holes ≤F _MTV,

_holes where n - number of holes;

n _cells - the number of cells with which the fuel element borders;

S _mtv - interbar distance;

d _resp - hole diameter;

F _mtv - the passage section of the interveolar gap;

F _resp - the area of the hole.