RU2473989C1

RU2473989C1 - Nuclear reactor fuel assembly

Info

Publication number: RU2473989C1
Application number: RU2011149972/07A
Authority: RU
Inventors: Петр Михайлович Аксенов; Александр Ефимович Лернер; Юрий Васильевич Лузан
Original assignee: Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод"
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-01-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: nuclear reactor fuel assembly comprises a bundle of fuel elements fixed in an end bearing lattice and fixed to each other by spacing grids attached to a central pipe. The bearing lattice is made in the form of a perforated plate with round holes designed for installation of fuel elements, guide channels or bearing pipes and a central pipe, holes for passage of a coolant, and is installed on a fuel assembly tail. Holes for coolant passage in the lattice are formed by crossing of the first links perpendicular to faces of the plate or its external circuit, second links, perpendicular to the first ones, and third links that limit round holes, and the pitch of the first links is equal to (0.2…0.3)s, the pitch of the second links is equal to not more than 0.8 s, where s - pitch of holes for installation of fuel elements. Holes for coolant passage preferably have width of 2.0…2.5 mm and are arranged symmetrically relative to the central axis of the lattice at 60°.

EFFECT: combination of functions of a bearing lattice and an anti-debris filter with provision of throughput section and strength required for a bearing lattice, and also better repairability of a fuel assembly.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к тепловыделяющим сборкам (ТВС) ядерных реакторов типа ВВЭР (ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и т.п.).The invention relates to nuclear energy, and in particular to fuel assemblies (FA) of VVER-type nuclear reactors (VVER-440, VVER-1000, etc.).

Из уровня техники известна ТВС ядерного реактора ВВЭР-440, несущая решетка (HP) которой, например, 445.20.030-04, шестиугольной формы, имеет 126 круглых отверстий для установки твэлов, центральное отверстие для установки центральной трубы, 102 отверстия в форме «гантели» для протока теплоносителя, 12 отверстий диаметром 5,9 min и полуотверстия по контуру опорной решетки для протока теплоносителя (см. фиг.1). Отверстия типа «гантель» образованы двумя отверстиями радиусом 2,95 min, соединенным отверстием шириной 5 min. Отверстия для установки твэлов и центральной трубы имеют диаметр 5^+0.1, причем по контуру каждой грани шестигранной HP расположены по семь отверстий для нижних заглушек твэлов (см. Дементьев Б.Д. Ядерные энергетические реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1990, с.31-35). Несущая решетка рабочей кассеты РК-3 ВВЭР-440 имеет дополнительно круглые отверстия для установки несущих труб (НТ).The fuel assemblies of the VVER-440 nuclear reactor are known from the prior art, the supporting lattice (HP) of which, for example, has a hexagonal shape, 445.20.030-04, has 126 round holes for installing fuel rods, a central hole for installing a central tube, 102 holes in the form of a dumbbell "For the coolant duct, 12 holes with a diameter of 5.9 min and half-holes along the contour of the support grid for the coolant duct (see figure 1). Holes of the “dumbbell" type are formed by two holes with a radius of 2.95 min, connected by a hole with a width of 5 min. The holes for the installation of the fuel rods and the central pipe have a diameter of 5 ^+0.1 , and along the contour of each face of the hexagonal HP there are seven holes for the bottom plugs of the fuel rods (see Dementiev B.D. Nuclear Power Reactors. M .: Energoatomizdat, 1990, p.31 -35). The supporting lattice of the working cassette RK-3 VVER-440 has additionally round holes for installing supporting tubes (NT).

Аналогичную конструкцию имеет несущая решетка ТВС ВВЭР-1000, которая дополнительно имеет круглые отверстия для установки направляющих каналов (НК).The VVER-1000 TVS support grid has a similar design, which additionally has round holes for installing guide channels (NK).

Функционально HP является несущим силовым элементом, удерживающим пучок твэлов в стационарном режиме и при транспортно-технологических операциях (ТТО), а в ТВС ВВЭР-1000 она также обеспечивает загрузку-выгрузку ТВС с помощью НК.Functionally, HP is a load-bearing power element that holds a bunch of fuel rods in stationary mode and during transport and technological operations (TTO), and in VVER-1000 fuel assemblies it also provides loading and unloading of fuel assemblies using NK.

Наряду с недостатком, связанным с существенной анизотропией конструкции, недостатком известной HP являются также большие размеры проливных отверстий. В ТВС ВВЭР они способны пропускать в пучок твэлов цилиндрические дебриз-предметы диаметром до 5,9 мм и плоские шириной до 13 мм при толщине до 5 мм.Along with the disadvantage associated with significant anisotropy of the structure, the disadvantage of the known HP is also the large size of the pouring holes. In VVER fuel assemblies, they are capable of passing cylindrical debris objects with a diameter of up to 5.9 mm and flat widths of up to 13 mm and a thickness of up to 5 mm into a bundle of fuel elements.

В связи с накоплением по мере эксплуатации АЭС в теплоносителе посторонних дебриз-предметов и преждевременным повреждением по этой причине оболочек твэлов возникла необходимость в оснащении ТВС антидебризными фильтрами (АДФ) 8, устанавливаемыми в хвостовики 4 ТВС. Из уровня техники известна конструкция ТВС ядерных реакторов ВВЭР-440, ВВЭР-1000 (см. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990, рис.П.8.1, П.8.3 и П.8.5, с.317-319), рабочая кассета (РК) которой состоит из пучка твэлов 1, закрепленных в концевой несущей решетке 7 и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР) 2, закрепленными на центральной трубе. В ТВСА ВВЭР-1000 ДР крепятся также к уголкам 3, прикрепленным винтами 6 к хвостовику 4. Во всех конструкциях ТВС имеется головка 5 для обеспечения загрузки-выгрузки ТВС. В хвостовике 4 установлен антидебризный фильтр 8 (см. фиг.2). В настоящее время РК ТВС ВВЭР-440, ВВЭР-1000 оснащены АДФ.In connection with the accumulation of foreign debris objects during the operation of the nuclear power plant and premature damage to the cladding of the fuel rods for this reason, it became necessary to equip the fuel assemblies with antidebritic filters (ADF) 8 installed in the shanks of 4 fuel assemblies. The prior art design of fuel assemblies for nuclear reactors VVER-440, VVER-1000 (see Kirillov P.L. et al. Handbook of thermohydraulic calculations (nuclear reactors, heat exchangers, steam generators). M.: Energoatomizdat, 1990, Fig. P. 8.1, A.8.3 and A.8.5, p.317-319), the working cassette (RK) of which consists of a bunch of fuel rods 1, mounted in the end support grid 7 and interconnected by distance grids (DR) 2, mounted on the central pipe . In VVER-1000 fuel assemblies, DRs are also attached to the corners 3, attached by screws 6 to the shank 4. In all fuel assemblies, there is a head 5 for providing loading and unloading of fuel assemblies. An anti-debris filter 8 is installed in the shank 4 (see Fig. 2). Currently, the VVER-440 and VVER-1000 fuel assemblies are equipped with ADP.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является тепловыделяющая сборка ядерного реактора (ТВСА ВВЭР-1000), содержащая пучок твэлов 1 и НК, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками (ДР), закрепленными на центральной трубе и уголках, а также АДФ (см. фиг.3), установленный в хвостовике и представляющий собой густо перфорированную плоскую пластину с вытянутыми четырехгранными отверстиями, шириной 2 мм (RU 2264666, опуб. 20.11.2005).The closest analogue of the claimed invention is a fuel assembly of a nuclear reactor (TVSA VVER-1000), containing a bunch of fuel rods 1 and NK, mounted in the end bearing grid and interconnected by spacer grids (DR), mounted on the central pipe and corners, as well as ADP ( see figure 3) installed in the shank and which is a densely perforated flat plate with elongated tetrahedral holes, 2 mm wide (RU 2264666, publ. 20.11.2005).

Недостатками данных ТВС являются: малая, порядка 0,6 мм, толщина перемычек между отверстиями АДФ (толщина пластины - 8 мм), низкая технологичность АДФ, высокое гидравлическое сопротивление, неспособность удерживать пучок твэлов и НК в условиях эксплуатации и при техническом обслуживании.The disadvantages of these fuel assemblies are: small, of the order of 0.6 mm, the thickness of the jumpers between the holes of the ADF (plate thickness - 8 mm), the low adaptability of the ADP, high hydraulic resistance, the inability to hold a bunch of fuel rods and NK in operating conditions and during maintenance.

АДФ является довольно сложной конструкцией, имеет большую трудоемкость изготовления вследствие большого объема мехобработки, при этом он ухудшает гидравлическую характеристику ТВС. Например, для ТВС ВВЭР-1000 установка АДФ приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления на ~ 2,5%, что приводит к существенному увеличению температуры теплоносителя на выходе из ТВС и не позволяет работать на 100% мощности реактора. Данный эффект был обнаружен на Хмельницкой АЭС при эксплуатации ТВСА с АДФ.ADP is a rather complex design, has a great complexity of manufacturing due to the large volume of machining, while it worsens the hydraulic performance of the fuel assembly. For example, for a VVER-1000 fuel assembly, the ADF installation leads to an increase in the hydraulic resistance coefficient by ~ 2.5%, which leads to a significant increase in the coolant temperature at the outlet of the fuel assembly and does not allow working at 100% of the reactor power. This effect was discovered at the Khmelnitsky nuclear power plant during the operation of TVSA with ADP.

Важным свойством современных конструкций ТВС как ВВЭР-440, так и ВВЭР-1000 является ремонтопригодность - возможность замены отказавшего твэла на новый или имитатор-вытеснитель. В связи с большим количеством твэлов в ТВС: 126 в ТВС ВВЭР-440 и 312 в ТВС ВВЭР-1000 - это дает существенный экономический эффект.An important property of modern designs of fuel assemblies of both VVER-440 and VVER-1000 is maintainability - the ability to replace a failed fuel rod with a new one or a simulator-displacer. Due to the large number of fuel rods in fuel assemblies: 126 in VVER-440 fuel assemblies and 312 in VVER-1000 fuel assemblies - this gives a significant economic effect.

Предполагалось, что такая операция может быть выполнена путем вытаскивания отказавшего твэла за верхнюю заглушку. Однако исследования, проведенные в НИИАР, показали, что вероятность извлечения отказавшего твэла таким способом составляет ~50%, т.к. дефекты оболочки отказавшего твэла могут привести к его разрушению при попытке извлечения, что из-за радиационной опасности недопустимо на АЭС.It was assumed that such an operation could be performed by pulling a failed fuel rod out of the top cap. However, studies conducted at the NIIAR showed that the probability of extracting a failed fuel rod in this way is ~ 50%, because defects in the cladding of a failed fuel rod can lead to its destruction during an attempt to extract it, which is unacceptable at nuclear power plants due to radiation hazard.

Чтобы повысить вероятность извлечения отказавшего твэла, было предложено перед вытаскиванием страгивать твэл путем механического воздействия на нижнюю заглушку твэла, однако наличие АДФ ограничивает доступ снизу к заглушкам твэлов и тем самым исключает возможность ремонта ТВС.To increase the probability of retrieving a failed fuel rod, it was proposed to pull out the fuel rods by pulling the fuel rod by mechanical action on the lower end of the fuel rod, however, the presence of ADP limits the bottom access to the fuel rod stubs and thereby eliminates the possibility of repair of fuel assemblies.

В предложенном изобретении предлагается объединить функции HP и АДФ в одном конструктивном элементе - несущей решетке-фильтре (НРФ) и установить ее вместо HP, что улучшает гидравлическую характеристику и увеличивает ремонтопригодность ТВС по сравнению с ТВС, снабженной отдельным АДФ. В конечном счете это приводит к увеличению энергоресурса ТВС. В ТВС АРК ВВЭР-440, управляющей реакцией деления ядер, дополнительный АДФ установить практически невозможно из-за конструктивных особенностей, однако использование НРФ не представляет затруднений.In the proposed invention, it is proposed to combine the functions of HP and ADP in one structural element - a support filter grating (NRF) and install it instead of HP, which improves hydraulic performance and increases maintainability of fuel assemblies in comparison with fuel assemblies equipped with a separate ADF. Ultimately, this leads to an increase in the energy resource of fuel assemblies. In the VVER-440 ARC fuel assembly, which controls the nuclear fission reaction, it is practically impossible to establish additional ADP due to design features, however, the use of NRF is not difficult.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции НРФ, заменяющей АДФ и HP одновременно, имеющей проливное сечение и прочность не хуже HP, что в конечном счете приводит к снижению гидравлического сопротивления, и повышению энергоресурса ТВС.The objective of the present invention is to create a design NRF, replacing ADP and HP at the same time, having a pouring section and strength not worse than HP, which ultimately leads to a decrease in hydraulic resistance, and increase the energy of the fuel assembly.

Техническим результатом изобретения является совмещения функций HP и АДФ с обеспечением требуемого для HP проливного сечения и прочности, а также улучшению ремонтопригодности ТВС.The technical result of the invention is combining the functions of HP and ADP with providing the required cross section and strength for HP, as well as improving the maintainability of fuel assemblies.

Данный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, содержащей пучок твэлов, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе, при этом несущая решетка выполнена в виде перфорированной пластины с круглыми отверстиями, предназначенными для установки твэлов, направляющих каналов или несущих труб и центральной трубы, отверстиями для прохода теплоносителя, согласно изобретению несущая решетка установлена в хвостовике ТВС, а отверстия для прохода теплоносителя в ней образованы пересечением первых перемычек, перпендикулярных граням пластины или ее наружному контуру, вторых перемычек, перпендикулярных первым, и третьих перемычек, ограничивающих круглые отверстия, при этом шаг первых перемычек равен (0,2…0,3)s, шаг вторых перемычек равен не более 0,8 s, где s - шаг отверстий для установки твэлов.This technical result is achieved by the fact that in a fuel assembly of a nuclear reactor containing a bundle of fuel rods fixed in an end support grid and interconnected by spacer grids mounted on a central pipe, the support grid is made in the form of a perforated plate with round holes for installation fuel rods, guide channels or supporting pipes and the central pipe, openings for the passage of coolant, according to the invention, the carrier grid is installed in the tail TVS, and the holes for the coolant passage in it are formed by the intersection of the first jumpers perpendicular to the faces of the plate or its outer contour, second jumpers perpendicular to the first and third jumpers bounding the round holes, while the step of the first jumpers is (0.2 ... 0, 3) s, the step of the second jumpers is not more than 0.8 s, where s is the step of the holes for the installation of fuel rods.

При этом отверстия для прохода теплоносителя предпочтительно имеют ширину 2,0…2,5 мм и расположены симметрично относительно центральной оси решетки через 60°.In this case, the openings for the passage of the coolant preferably have a width of 2.0 ... 2.5 mm and are located symmetrically with respect to the central axis of the lattice through 60 °.

В предлагаемой ТВС НРФ имеет высокую степень симметрии и оптимальное расположение перемычек, что обеспечивает ей достаточную прочность при сохранении проливного сечения HP. Кроме того, НРФ предпочтительно выполнена с использованием высокопроизводительной технологи гидроабразивной резки.In the proposed fuel assembly, the NRF has a high degree of symmetry and the optimal location of the jumpers, which provides it with sufficient strength while maintaining a cross section of HP. In addition, the NRF is preferably made using high-performance waterjet cutting technology.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображена штатная конструкция HP для РК ВВЭР-440 2 поколения.Figure 1 shows the standard design HP for RK VVER-440 2 generation.

На фиг.2 изображена известная штатная ТВСА ядерного реактора ВВЭР-1000.Figure 2 shows the well-known full-time TVSA of the VVER-1000 nuclear reactor.

На фиг.3 изображен штатный АДФ по наиболее близкому аналогу.Figure 3 shows the standard ADP for the closest analogue.

На фиг.4 изображена предлагаемая конструкция НРФ для РК ВВЭР-440 2 поколения.Figure 4 shows the proposed design of the NRF for RK VVER-440 2 generation.

На фиг.5 изображена предлагаемая конструкция НРФ для ТВС ВВЭР-1000.Figure 5 shows the proposed design NRF for fuel assemblies VVER-1000.

Предлагаемая тепловыделяющая сборка ядерного реактора, как и аналоги, содержит пучок твэлов, закрепленных в концевой несущей решетке и соединенных между собой дистанционирующими решетками, закрепленными на центральной трубе.The proposed fuel assembly of a nuclear reactor, like analogues, contains a bunch of fuel rods fixed in an end carrier grid and interconnected by spacer grids mounted on a central tube.

Несущая решетка-фильтр для предлагаемой ТВС ядерного реактора представляет собой многоугольную (фиг.4, 5) перфорированную пластину с круглыми отверстиями 9, предназначенными для установки твэлов, направляющих каналов или несущих труб и центральной трубы и отверстиями 10 для прохода теплоносителя.The filter support grid for the proposed fuel assembly of a nuclear reactor is a polygonal (FIGS. 4, 5) perforated plate with round openings 9 for installing fuel rods, guide channels or support pipes and a central pipe and openings 10 for coolant passage.

Отверстия 10 для прохода теплоносителя имеют преимущественно форму вытянутых прямоугольных пазов и образованы пересечением первых перемычек 11, перпендикулярных граням пластины или ее наружному контуру, вторых перемычек 12, перпендикулярных первым, и третьих перемычек 13, ограничивающих круглые отверстия. Шаг первых перемычек равен (0,2…0,3)s, шаг вторых перемычек равен не более 0,8 s, где s - шаг отверстий для установки твэлов.The holes 10 for the coolant passage are mainly in the form of elongated rectangular grooves and are formed by the intersection of the first jumpers 11, perpendicular to the faces of the plate or its outer contour, second jumpers 12, perpendicular to the first, and third jumpers 13 bounding the round holes. The step of the first jumpers is (0.2 ... 0.3) s, the step of the second jumpers is not more than 0.8 s, where s is the step of the holes for the installation of fuel rods.

Перемычки между пазами имеют толщину 0,7…1,0 мм, а пазы имеют ширину 2,0…2,5 мм. Отверстия для установки твэлов имеют диаметр 5 мм как в штатной HP.The jumpers between the grooves have a thickness of 0.7 ... 1.0 mm, and the grooves have a width of 2.0 ... 2.5 mm. The holes for the installation of fuel rods are 5 mm in diameter as in standard HP.

Результаты расчетов НРФ для РК ВВЭР-440 2 поколения в ПК ANSYS в условиях эксплуатации показывают достаточную прочность НРФ при штатной толщине плиты 16 мм. Максимальные напряжения в условиях ТТО составляют 73,9 МПа при допускаемых напряжениях 127,3 МПа.The results of NRF calculations for VVER-440 RK of the 2nd generation in ANSYS PC under operating conditions show sufficient NRF strength with a nominal plate thickness of 16 mm. The maximum stresses in the conditions of the TTO are 73.9 MPa with a permissible stress of 127.3 MPa.

Расчеты показывают, что предлагаемая НРФ для ТВС ВВЭР-1000 также имеет более высокую прочность, чем штатная HP TBCA при той же толщине плиты.Calculations show that the proposed NRF for VVER-1000 fuel assemblies also has higher strength than the standard HP TBCA with the same plate thickness.

Проливное сечение предлагаемых НРФ не менее чем у штатных HP.The pouring section of the proposed NRF is not less than that of regular HP.

Claims

1. A fuel assembly of a nuclear reactor containing a bundle of fuel rods fixed in an end carrier grid and interconnected by spacer grids mounted on a central pipe, the carrier grid being made in the form of a perforated plate with round holes for installing fuel rods, guide channels or bearing pipes and a central pipe, openings for the passage of coolant, characterized in that the supporting grid is installed on the shank of the fuel assembly, and openings for the passage of coolant in it is formed by the intersection of the first jumpers perpendicular to the faces of the plate or its outer contour, the second jumpers perpendicular to the first, and the third jumpers bounding the round holes, while the step of the first jumpers is (0.2 ... 0.3) s, the step of the second jumpers is not more than 0.8 s, where s is the pitch of the holes for the installation of fuel rods.

2. The fuel assembly of a nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the holes for the passage of the coolant have a width of 2.0 ... 2.5 mm and are located symmetrically with respect to the central axis of the lattice through 60 °.

3. The fuel assembly of a nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the supporting grid is made using waterjet cutting.