SU841066A1 - Тепловыдел ющий элемент энергети-чЕСКОгО дЕРНОгО PEAKTOPA - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к керги шческим тепловыдел ющим элементам (ТВЭЛ) брикетного, типа, которое в насто щее врем  используютс  в днергетически}(  дерных реакторах. Известно конструктивное выполнение топливного элемента  дерного реактора , включающего кожух, заглушки и расположенные внутри кожуха таблетки (брикеты) с топливом |l1. Недостатком такого решени   вл етс  необходимость выполнени : зазора между кожухом и топливными брикетами что значительно ухудриает теплопередачу от столба топливных брикетов, и, следовательно, ухудшает надежность работы такого элемента. Известна также конструкци  тепловыдел ющего элемента энергетического  дерного реактора, содержащего удлиненный трубчатый кожух и цилиндрические твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образующие столб топ ливных брикетов, соприкасающийс  с опорными элементами внутри кожуха. Известный тепловыдел ющий элемент предназначен дл  реакторов с воспроизводством топлива и крнструктивнбе выполнение опорных элементов внутри кожуха определ етс  фракцией поддержани  необходимых физических условий внутри тепловыдел ющего элемента и в активной зоне в целом, и св зано с необходимостью создани  зоны воспроизводства 2 J. Недостаток такой конструкции заключаетс  в снижении безопасности за счет возможного механического взаимодействи  между столбом топливных брикетов и кожухом во врем  эксплуатации. Между кожухом и множеством цилиндрических тел- имеетс  радиальный зазор около 0,3 мм, который оказываетс  совершенно неприемлемым с учетом теплопередачи от топлива к кожуху. Кроме того, зазор около 0,3 мм неизбежно вызывает повышение температуры в кергшическом топливе до слшиком больших значений и результирующий нагрев приводит к плавлению ндерного горючего с вытекающим отсю|да серьезным риском радиоактивного заражени . Встречаютс  повреждени  ТВЭЛ, которые имеют вид небольших TpeitoH в . защитном кожухе, вызываемых сильнш механическим взаимодействием между топливными брикетами и кожухом. Необходимо также принимать во внимание другой тип повреждений, про вл ющийс  как местное разделение (по оси) внутр еннего длинного столба (стопки) топливных брикетов, в результате чег этот столб раздел етс  на две части., причем щель маждУ этими част ми може достигать нескольких сантиметров. Цель изобретени  - повшаение надежности за счет уменьшени  механиче кого взаимодействи  мееду столбом то ливных брикетов и кожухсн4 во врем  э сплуатации. Поставленна  цель достигаетс  тем что в тепловьадел кхцём элементе энергетического  дерного реактора, содержащем удлиненный трубчатый кожух, рас положённые соосно в кожухе цилиндрические твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образ оцие столб топливных брикетрв, соприкасающийс  с опорными элементами внутри , трубчатый кожух.имеет, по меи&шей мере , три равномерно распределенных опорных элемента, выполненных в виде профилированных продольных ребер высотой не более 0,05 мм, расположенных вдоль внутренней цилиндрической поверхности кожуха, при этом ребра в поперечнсн « сечении выполнены в виде кругового сегмента, образованного внутренней окружностью защитного кожуха и хордой, либо в виде трапеции или в виде треугольника с закругленным выступом. ; На фиг. 1 показана конструкци  ТВЭЛ дл  вод ного  дерного реактора, продольный разрез; на фиг, 2 - то же поперечное сечение (увеличенный Ма-сштаб ), нафиг. 3, 4 и 5 - детали различных воплсвцений трубчатого защи-Г ного кожуха дл  ТВЭЛ; на фиг. 6 и 7 в увеличенном масштабе услови , действующие вокруг участка сопр жени  двух топливных брикетов в конструкции ТВЭЛ.. Трубчатый защитньШ кожух 1 изготавливают из сплава циркони  (в большинстве случаев из циркало ), из того же спла&а изготавливают обе концевых пробки 2 и 3. Концевые пробки снабжены продольно выступапци штыр ми 4 и 5 соответственно. Эти штьфи 4 и 5 служат дл  удержани  ТВЗЛ внутри реактора в фиксированном положении. Столб брикетов б устанавливают внутри кожуха 1 с некоторым кольцевш« (радиальным) зазором, величина которо го лежит в пределах 0,07-0,15 км с ти пичной величиной допуска 0,05 мм (размеры, относ51щиес  к кольцевому зазору между кожухом и топливными бри кетами, приведены дл  холодного состо ни  ТВЭЛ и без учета величины опорных выступов на внутренней поверхности кожуха). Столь мгшые и точно выдерживаемые ра.змеры зазора требуютс  дл  того, чтобы .свести к минимуму падение «емпературы во врем  работы ТВЭЛ и вместе с тем избежать значи . тельного механическогЬ взаимодействи  .между кожухом и брикетами, которое в ТВЭЛ обычной конструкции  вл етс  потенциальным источником ухудшени  технических характеристик. В процессе работы ТВЭЛ зазор уменьшаетс  в той или иной степени, в зависимости от фактической теплоотдачи и степени выгорани   дерного топлива.. На поверхности кожуха нередко возникают кольцевые бугорки, расположенные в точкгис соединени  соседних брикетов, по вление этих бугорков св зано с механическим взаимодействием между кожухом и брикетг1ми и искажением формы последних (они принимают форму песдчных часов):. Чтобы улучамть передачу тепла в кольцевом зазоре, во внутренний объем ТВЭЛ ввод т газообразный гелий. В ТВЭЛ, предназначенных дл  реакторов с водой под давлением, используют гелий повышенного давлени  с тем, чтобы предотвратить пластическую деформацию защитного кожуха в процессе эксплуатации ТВЭЛ. Как видно из фиг. 1, внутри ТВЭЛ оставлен свободный объем 7, в котором за счет выделени  газообразных продуктов распада и а счет избыточного количества, вводимого внутрь ТВЭЛ, гели  создаетс  повышенное давление. В этом свободном пространстве располагаетс  спиральна  пружина 8, воздействующа  на столб топливных брикетов. OcHOBHbovi назначением спиральной пружины 8  вл етс  удержание топливных брикетов на месте во врем  транспортировки и переноски ТВЭЛ, но следует отметить, что эта пружина не в состо нии предотвратить взаимное смещение брикетов по продольной оси ТВЭЛ в Процессе его эксплуатации. Выступгиощим част м опорных элементов , расположенных на внутренней поверхности трубчатого защитного кожуха (предпочтительнр изготавливать их заодно с кожухом% удобно придать форму идущих .в осевом направлении взаимно параллельных ребер 9, к.ак это показано дл - конструкции (фиг. 2), Опорные элементы, выполненные в виде таких осевых (продольных) ребер, проход т вдоль ТВЭЛ по всей длине защитного кожуха, по крайней мере, по той части центрального отверсти  кожуха, котора  зан та столбом топливных брикетов . Сфера применени  предлагаемого изобретени  охватывает также другие формы опорных элементов, например опорные элементы, ймекшие форму большого числа выступающих внутрь ТВЭЛ наростов, соответствующим образом расположенных один относительно другого., Фактическа  форма внутренней поверхности защитного кожухав каждом отдельном случае может быть приспособлена дл  нескольких возможных конструкций ТВЭЛ, наход щихс  в данное врем  в производстве.

Высота опорных элементов(счита  по радиусу ТВЭЛ) должна быть не более нормального кольцевого зазора (в холодном состо нии), например не больше 0,1 мм, а предпочтительно не больше 0,05 мм, с тем, чтобы получить допустимое падение температуры в кольцевом зазоре, остающемс  при работе ТВЭЛ на полнуй мощность. Практически нижний предел высоты опорных элементом равен примерно 0,005 мм. Наличие опорных элементов позвол ет суЦественно уменьшить величину обычного кольцевого зазора в холодном состонии ТВЭЛ, например вдвое и даже меньше . Таким образом, за счет введейи  опорных элементов может быть достигнуто некоторое улучшение передачи тепла внутри ТВЭЛ. Далее, с точки зрени  передачи тепла и распределени  механических усилий между част ми ТВЭЛ имеет значение форма опорных элементов. Форма каждого продольного опорного элемента в поперечном сечении может быть различной, как это видно из фиг. 2-5. Так на фиг. 2 покзаны продольные опорные элементы 9, имеющие в поперечном сечении трапецеидальную форму. На фиг. 5 более детально, в увеличенном масштабе, показаны опорные элементы фиг. 2, где каждый опорный элемент 9 закруглен возле своего основани  и плоско стесан на верхушке (ближе к середине поперечного сечени  ТВЭЛ).

На фиг. 4 показана в увеличенном масштабе деталь трубчатого защитного кожуха 1. |В предлагаемой конструкции продольные опорные элементы 9 имеют в поперечном сечении форму, соответствующую круговому сегменту, образованному круговой внутренней поверх ,ностью трубчатого 1 и хордой С, проведенной внутри окружности, соответствующей сверлению трубчатого кожуха. Эта конструкци  представл ет особый интерес вследствие того, что она позвол ет реализовать малые допуски на высоту ребер 9 (по радиусу ТВЭЛ), поскольку последн   находитс  в определенном геометрическом отношении с шириной ребра по окружности а эта ширина значительно больше высоты ребра, и поэтому при изготовлении трубчатого кожуха её можно вьщержать с большой точностью. Это значит, что форма поперечного сечени  ребер 9, показанна  на фиг. 4, особенно полезна при малых (мен-ьше 0,02 мм) эначёни х высоты ребер.

На фиг. 5 показана конструкци , в которой опорные элементы 9, расположенные на одном и том же трубчатом кожухе, имеют разные форг прперечного сечени . Каждый третий опорный элемент 9 имеет относительно малую ширину и большую высоту, так как он слабо сопротивл етс  деформации, и потому. обеспечивает наилучшее крепле

ние топливного брикета по п1; одольной оси. Промежуточные опорные элементы 9 имеют относительно большую ширину и малую высоту, так зто они лучше сопротивл ютс  деформации и обеспечивают повышенную пе)едачу тепла от брикетов  дерного топлива к защитному кожуху.

Как видно из чер ежей| представл ющих поперечные сечени , опорные элементы имеют врэле оснований выступы, соответствующие примерно половине толщины стенки кожуха, но здесь до-. рустимы и другие размеры. Контакт рпорных ребер с соседними топливными брикетами осуществл етс  по лини м различной длины в зависимости от формы ребра и от степени его деформации во врем  работы ТВЭЛ. -.

Число опорных элементов, ймекхцихс  на внутренней поверхности защитного кожуха, варьируют в довольно широких пределах. Однако дл  продольных ребер, показанных на фиг. 2-6, практически нижний предел их числа равен трем, поскольку это минимальное число ребер, обеспечивающее хорошее центрирование топливных брикетов внутри защитного кожуха. Дл  этого минимального числа подразумеваетс  равномерное распределение ребер по окружности внутренней поверхности защитного кожуха. В зависимости от метода получени  ребер, их высоты, поперечного сечени  число ребер может быть различным.

Между брикетами б возможно образование неравномерности 10 в пространстве 11 в области выемок 12 в брикетах ..

Дл  оптимизации передачи тепла между,  дерным топливом и защитным ко жухом.желательно не только работать , с наименьшим возможным кольцевым зазором , но также обеспечить некоторую площадь контакта между опорными ребрами и топливными брикетами. В этой св зи было установлено, что ширина (по окружности J контактной поверхности между каждым ребром и брикетом .. должна быть, как минимум, околоО,1мм Необходимо отметить, что это только желательное минимальное требование к величинеконтактной поверхности между ребром и брикетом, а в процессе эксплуатации ТВЭЛ эта цнфра может быть значительно больше.

Claims (2)

1. Опорные элементы вли ют в процессе работы ТВЭЛ на механические взаимодействи  между топливными брикетами и заадитньам кожухсил таким образом, что повреждени  ТВЭЛ предотвращаютс  в нескольких направлени х. Особенно важн1ши достоинствами облгщают опорные элементы (ребра, ориентированные параллельно продольной оси ТВЭЛ, так что наиболее предпочтительны конструкции ТВЭЛ с такими опорными элементгши. В дальнейшем подрааумева ютс  конструкции этого типа. Таким образом, следует рассмотреть вли ние onopHEdx элементов на ра бочие характеристики ТВЭЛ, св занные с по влением механического контакта между топливными брикетами и защитным кожухом & процессе возрастани  тепловой мощности, ввдел емой ТВЭЛ. При таком колыдевом зазоре механичес кий контакт теперь .возникает при меньшем уровне мощности, чем это тле ет место дл  ТВЭЛ с защитным кожухом не имеющим внутренних опорных элемен тов {прокладок;. Чем больше высота опорных элементов, тем ниже теплова  мощность, при которой возникает контакт . В данном случае высота опорных элементов подбираетс  «таким образом, чтобы механический контакт (с учетом некотсфой пластической деформации опорных элементов возникал при номинальной рабочей мощности. В этой св  зи, необходимо подчеркнуть, что обычные ТВЭЛ дл  вод ных .реакторов конструируютс  таким образом, чтобы меж ду топливньюли брикетами и к зжухом имело место минимальное механическое действие. Как видно из фиг. 6, опорный элемент 9 подвергаетс  в поперечном сечении некоторой ограниченной по вели чийе пластической деформации сжати  ввиду того, что действующее на опорный элемент давление первоначально . превьоиает свойственное его материалу сопротивление сжатию. По мере того, как опорный элемент все более сдавли ваетс  в своем поперечном сечении, его сопротивление сжати  быстро возрастает , так что дальнейшее сдавлива ние затрудн етс . Из фиг. 7,иллюстри вид продольного сечени  трубчатого защитного кожуха 1 в местах соприкосновени  соседних брикетов, видно, как под воздействием каждого топливйого брикета деформируетс  про дольный опорный элемент 9, вследствие этого образуетс  неравномерность 10 в пространстве 11 между бри кетами 64 Топливные брикеты изготавливают с выемками 12 на торцах, как это показано на фиг. 7, чтобы получить такую форму торцов или неравномерностей 10, чтобы предотвращалось относительное смещение брикета и защитного кожуха по продольной оси. Сдавливание опорного элемента 9 в пр дольном направлении получает определенное отражение в форме брикетов 6, внешне входной с очертанием песочных часов. Таким образом, опорные элементы преп тствуют местному пр мо му контакту между внутренней поверхностью защитного кожуха и острыми кра кш брикетов на их торцах. Теперь рассмотрим вли ние опорных элементов в такой ситуации, когда ме ханическое взаимодействие, возникающее при.по влении трещины в прочном керамическом тойливном брикете при внезапном увеличении выдел емой мощности , приводит к разрушению защитного кожуха. Во врем  работы реактора топливные брикеты 6 внутриТВЭЛ подвергаютс  некоторому растрескиванию, вследствие вли ни  температурных перепадов внутри брикета. Типичной может быть картина образовани  радиальных трещин повсему поперечному сечению брикета 6, представленна  на фиг. 2 В продольном сечений того же брикета наблюдаютс  поперечные трещины, но в меньшем числе. Во врем  работы реактора все эти трещины остгиотс  несколько расширенными по направлению к наружной части поперечного сечени  ТВЭЛ. При возрастании выдел емой мощности эти существующие в брикете трещины еще более расшир ютс  и могут образовыватьс  новые трещины. При таких услови х и при отсутствии опорных элементов возникают нарушени  структуры материала защитного кожуха на тех подверженных напр жени м участках, которые наход тс  напротив открывшихс  в брикете трещин в зоне его механического контакта с кожухом . Присутствие, опорных элементов радикальным образом мен ет механизм образовани  повреждений в защитном кожухе, св занный с радиальными трещинами , которые вли ют на поверхность Зсццитного кожуха. Следует отметить, что главна  часть трещин в брикете образуетс  на участках между широко расставленными опорными элементами 9, где нет контакта между брикетом и кожухом или этот контакт незначителен (см. фиг. 2j. Поэтому расширение трещин не приводит к возникновению местных перенапр жений и деформированию лежащих напротив этих трещин участков защитного кожуха, а за счет сил трени , действующих на отдельные опорные элементы 9, раст гиваетс  все сечение защитного кожуха, лежащее между этими опорными элементами. Абсолютное раст жение этого вида поглощаетс  материалом кожуха тем лучше, чем больше рассто ние , на котором действует раст жение , по отношению к ширине трещины , т.е. чем дальше разделены друг от друга опорные элементы 9. Далее, трещины в материале брикета , расположенные между опорными элементами , много легче подвергаютс  дальнейшему раопирению, чем одиночные трещины, KOTOF«:ie расположены в зоне контакта с опорными элементами. Дл  расширени  последних необходимо не только преодолеть сопротивление деформации у материала кожуха, но также сопротивление за счет внутреннего трени  в материале брикета. Обраща сь теперь к рассмотрению картины поперечных трещин в керамических топливных брикетах, можно отметить, ч-цо эти трещины при отсутствии опорных элементов обычно не вызывают повреждений в материале защитного кожуха при возрастании 91адел емой мощности. Причиной этого, по всей веро тности,  вл етс  тот факт, что расширению трещин в брикете прот востоит одновременно действующее изменен|1е формы брикета, привод щее к тому, что он приобретает форму песочных часов. Поэтому в данном случае наблюдает с  сильное противодействие разрушающим усили м, которые обычно передают с  на ограниченные участки защитнохчэ кожуха, в результате подобных местны относительных перемещений, сопровождакхдих механическое взаимодействие между брикетом и кожухом, а потому при использовании конструкции с опор ными элементами повреждение кожуха будет мало или вообще отсутствует. Это означает, что подобному проти водействию подвергаютс  и другие  влени  сходной природы, св занные с механическими взаимодействи ми этого типа, например  влени  усталости и коррозии из-за перенапр жений. В отношении других видов повреждений , вызываемых относительными периодическими перемещени ми брикета и защитного кожуха по продольной оси во врем  работы реактора,, а именно образовани  продольных трещин в брикетах и ненормального увеличени  дли ны столба брикетов за счет разбухани  , полезна  функци  опорных эле ментов про вл етс  самым простым образом . При первом нарастании выдел е мой мощности до такого уровн , при котором достигаетс  механический кон такт между брикетами и опорными элементами , последние до некоторой степени сдавливаютс  по высоте, а особе но в точках вдоль самих брикетов (эт уже отмечалось выше. В то же врем  промежуточные участки опорных элементов в точках соприкосновени  между брикетами остаютс  почти в неприкосновенности или даже несколько увеличиваютс по высоте. Таким образом , ме иу торцовыми поверхност ми брикетов на опорных элементах образу ютс  участки резких неоднородностей (фиг. 7) или же выступающие небольши плоскости. Поэтому каждый отдельный брикет остаетс  фиксированным в сюевом направлении и его смещение относительно , защитного кожуха исключаетс Таким образом, топливные брикеты не способствуют про влению, дефектов в виде осевых трещин того типа, который ранее был ртнесен за счет самоуплотнени  или самопроизвольного роста материала брикета. Одновременно с этим исключаетс  и разбухание материала брикетов. При брикетах, фиксированных по продольной оси описанным выше способом, увеличение выел емой мощности приводит к тому, что от каждого отдельного брикета происходит раст жение згшдатного кожуха в осевом направлении мехсдУ упоминавшимис  ранее неболы ими плоскими площадками на опорных элемёнтгш, и раст зкение равномерно распредел етс  по всей длиЕ|е защитного кожуха. Все изложенное вьаае способствует безопасности работы тепловьщел кцего элемента. Формула изобретени  1.тепловыдел ющий элемент эиергетического  дерного реактора, содержащий удлиненный трубчатый кожух, расположенные соосно в коз1сухе цилиндрические твердые тела, выполненные из спеченного окисла и образующие столб топливных брикетов, соприкаса-г ющийс  с опорньвли элементами внутри кожуха, отличающийс  тем, что с целью повышени  надежности за счет уменьшени  механического взаимодействи  между столбом топливных брикетов и кожухом во врем  эксплуатации , трубчатый кожух имеет, по меньшей мере, три равномерно распределенНых опорных элемента, выполненных в виде профилированных продольных ребер высотой не более 0,05 мм, расположенных вдоль внутренней цилиндрической поверхности кожуха. 2.Элемент по п. 1, отличающийс  тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде кругового сегмента, образованного внутренней окружностью защитного кожуха и хордой. 3.Элемент по п. 1, отличающийс  тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде трапеции . . 4.Элемент по п. 1,отлича-1 ющийс  тем, что ребра в поперечном сечении выполнены в виде треугольника с закругленным выступом. Источники информации, прин тые во внимание при экспертиэе 1.Крамеров А.Я. Вопросы конструировани   дерных реакторов. М., Атомиздат , 1971, с. 137, рис. 7,1.
2. 2.Патент Англии 1233689, кл. G б С опублик. 1970.

   Ut.f