RU2543609C1

RU2543609C1 - Heat output intensifier

Info

Publication number: RU2543609C1
Application number: RU2013157138/07A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Варава; Алексей Викторович Дедов; Александр Валентинович Захаренков; Александр Тимофеевич Комов; Александр Валентинович Ильин; Виктор Васильевич Мясников; Эдуард Алексеевич Болтенко
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-03-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention can be used namely in operating reactors of a water-cooled type with thermal output of more than 2600 MW (for example VVER-1000) or in reactors with similar peculiar features in the design of fuel elements. For the purpose of mixing and turbulisation of a heat carrier flow, a heat output intensifier is made in the form of a spiral winding of a metal band onto the outer surface of a rod-type fuel element. The metal band is twisted relative to its own longitudinal axis.

EFFECT: improving heat output from surface of fuel elements at minimum increase of hydraulic resistance specific for a smooth surface of fuel elements.

2 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), предполагающих наличие в своем составе устройств и средств для интенсификации теплообмена с поверхности твэла, и может быть использовано, в частности, в действующих реакторах водо-водяного типа с тепловой мощностью более 2600 МВт (например, ВВЭР-1000) или в реакторах с аналогичными особенностями в конструкции твэлов.The invention relates to nuclear engineering, in particular to the designs of rod fuel elements (fuel elements), assuming the presence in their composition of devices and means for intensifying heat transfer from the surface of a fuel element, and can be used, in particular, in operating water-cooled type reactors with thermal power more than 2600 MW (for example, VVER-1000) or in reactors with similar features in the design of fuel rods.

Известны конструкции твэлов (патент РФ №2417462, Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, опубл. 27.04.2011), содержащие топливные таблетки, помещенные в циркониевую оболочку, фиксирующие пружины, осуществляющие поджимание столба таблеток, верхнюю и нижнюю пробки.Known fuel element designs (RF patent No. 2417462, fuel element of a nuclear reactor, publ. 04/27/2011) containing fuel pellets placed in a zirconium shell, fixing springs, compressing the column of tablets, the upper and lower tubes.

Недостатком известной конструкции является неэффективный теплосъем с гладкой цилиндрической поверхности твэла, связанный с образованием пленочного режима кипения, т.е. образованием тонкого парового слоя, отделяющего нагреваемую поверхность твэла от жидкого теплоносителя. Уменьшение теплоотдачи вызывает локальное повышение температуры оболочки и образование микротрещин, которые могут привести к разгерметизации. Попадание воды в трещины приводит к разрушению оболочки и попаданию радиоактивного топлива (продуктов деления) в контур циркуляции теплоносителя. Эти процессы снижают ресурс твэлов и эксплуатационную надежность реактора.A disadvantage of the known design is the inefficient heat removal from the smooth cylindrical surface of the fuel rod, associated with the formation of a film boiling mode, i.e. the formation of a thin vapor layer separating the heated surface of the fuel rod from the liquid coolant. A decrease in heat transfer causes a local increase in the temperature of the shell and the formation of microcracks, which can lead to depressurization. The ingress of water into cracks leads to the destruction of the shell and the ingress of radioactive fuel (fission products) into the coolant circuit. These processes reduce the fuel rod life and operational reliability of the reactor.

Наиболее близким по технической сущности является интенсификатор теплоотдачи (см. Патент США, №3361640, МПК G21C 3/32, опубл. 2.01.1968), содержащий топливные таблетки, помещенные в циркониевую оболочку, фиксирующие пружины, осуществляющие поджимание столба таблеток, верхнюю и нижнюю пробки, на внешней поверхности оболочки выполнены косые ребра, осуществляющие закрутку потока теплоносителя относительно продольной оси твэла, а также дистанционирование твэлов друг от друга в сборке.The closest in technical essence is the heat transfer intensifier (see US Patent No. 3361640, IPC G21C 3/32, publ. 2.01.1968) containing fuel pellets placed in a zirconium shell, fixing springs, which compress the pillar of columns, upper and lower plugs, oblique ribs are made on the outer surface of the cladding, which swirl the coolant flow relative to the longitudinal axis of the fuel element, as well as spacing the fuel elements from each other in the assembly.

Однако такое решение дает существенное ухудшение гидравлических параметров прохождения потока теплоносителя вдоль твэлов. Выступающие ребра уменьшают гидравлический диаметр канала, а косое положение ребер удлиняет длину канала, что в совокупности значительно увеличивает гидравлическое сопротивление прохождению теплоносителя через активную зону.However, this solution gives a significant deterioration in the hydraulic parameters of the flow of coolant along the fuel rods. The protruding ribs reduce the hydraulic diameter of the channel, and the oblique position of the ribs lengthens the length of the channel, which together significantly increases the hydraulic resistance to the passage of the coolant through the active zone.

Техническим результатом изобретения является улучшение теплоотдачи с поверхности твэлов при минимальном увеличении гидравлического сопротивления, характерного для гладкой поверхности твэлов.The technical result of the invention is to improve the heat transfer from the surface of the fuel rods with a minimum increase in hydraulic resistance characteristic of the smooth surface of the fuel rods.

Технической задачей является использование для целей перемешивания и турбулизации потока теплоносителя не внешних, по отношению к теплоносителю, элементов (ребра, накрутка проволочных спиралей, введение закручивающих решеток и пр.), а самого теплоносителя.The technical task is to use for mixing and turbulization of the flow of coolant not external, with respect to the coolant, elements (ribs, wrapping wire spirals, the introduction of twisting gratings, etc.), but the coolant itself.

Это достигается тем, что известный интенсификатор теплоотдачи, содержащий металлическую ленту в виде спирали, навитую на внешнюю поверхность стержневого тепловыделяющего элемента и дополнительно закрученную относительно собственной продольной оси.This is achieved by the fact that the known heat transfer enhancer containing a metal tape in the form of a spiral, wound on the outer surface of the rod fuel element and further twisted relative to its own longitudinal axis.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 показан интенсификатор теплоотдачи, а на фигуре 2 приведена фотография экспериментальной установки, иллюстрирующая образование микровихрей при взаимодействии транзитного и закрученного потоков.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the heat transfer intensifier, and figure 2 shows a photograph of an experimental setup illustrating the formation of microvortices during the interaction of transit and swirling flows.

Интенсификатор теплоотдачи содержит спиральную навивку металлической ленты 1 на внешнюю поверхность стержневого тепловыделяющего элемента 2, внутри которого находятся топливные таблетки 3, при этом металлическая лента 1 интенсификатора закручена относительно собственной продольной оси.The heat transfer enhancer contains a spiral winding of a metal tape 1 on the outer surface of the rod heat-generating element 2, inside of which there are fuel pellets 3, while the metal tape 1 of the intensifier is twisted relative to its own longitudinal axis.

Интенсификатор теплоотдачи работает следующим образом. Прокачиваемый вдоль внешней поверхности оболочки твэла теплоноситель достигает первого витка металлической ленты 1 интенсификатора на внешней поверхности твэла и за счет закрученности относительно собственной продольной оси разделяется на два потока. Первый поток в местах, где закрученность металлической ленты 1 образует как бы мостики над внешней поверхностью твэла, образует транзитную составляющую, имеющую вектор скорости, направленный вдоль образующей стержневого твэла, а вторая составляющая формируется за счет спиральной намотки интенсификатора на поверхности твэла и образует закрученный поток теплоносителя. Очевидно, что взаимодействие двух вязких потоков с векторами скоростей, расположенными под некоторым углом, приводит к образованию микровихрей (фиг.2), которые и вызывают перемешивание теплоносителя между слоями над поверхностью твэла.The heat transfer intensifier works as follows. The coolant pumped along the outer surface of the fuel cladding reaches the first turn of the intensifier metal tape 1 on the outer surface of the fuel element and is divided into two streams due to twisting relative to its own longitudinal axis. The first stream in places where the swirling of the metal tape 1 forms, as it were, bridges over the outer surface of the fuel element, forms a transit component having a velocity vector directed along the generatrix of the rod fuel element, and the second component is formed by spiral winding of the intensifier on the surface of the fuel element and forms a swirling coolant flow . It is obvious that the interaction of two viscous flows with velocity vectors located at a certain angle leads to the formation of microvortices (Fig. 2), which cause mixing of the coolant between the layers above the surface of the fuel element.

Таким образом, в предлагаемом интенсификаторе теплоотдачи поток теплоносителя нагревается от контакта с внешней поверхностью твэла, как это происходит в традиционных стержневых твэлах, и, кроме того, эффективно перемешивается микровихрями в удаленной от пристеночной зоны твэла, не позволяя образовываться пленочным режимам кипения. По сути микровихри многократно увеличивают поверхность теплообмена, не внося в поток теплоносителя внешних элементов, например оребрения внешней оболочки, и, тем самым, не внося дополнительного гидравлического сопротивления потоку теплоносителя.Thus, in the proposed heat transfer intensifier, the heat carrier flux is heated from contact with the outer surface of the fuel rod, as is the case in traditional rod fuel rods, and, in addition, it is effectively mixed by microvortices in the fuel rod remote from the wall zone, preventing film boiling modes from forming. In fact, microvortices repeatedly increase the heat transfer surface without introducing external elements, for example, fins of the outer shell, into the coolant flow, and, thus, without introducing additional hydraulic resistance to the coolant flow.

Использование изобретения обеспечивает улучшение теплоотдачи с поверхности твэлов при минимальном увеличении гидравлического сопротивления, характерного для гладкой поверхности твэлов.The use of the invention provides improved heat transfer from the surface of the fuel rods with a minimum increase in hydraulic resistance characteristic of the smooth surface of the fuel rods.

Claims

The heat transfer enhancer containing a metal tape, wound in the form of a spiral on the outer surface of the rod fuel element, characterized in that the metal tape is additionally twisted relative to its own longitudinal axis.