UA123207C2 - Тепловидільна збірка ядерного реактора - Google Patents

Abstract

Винахід належить до області ядерної енергетики, а саме - до конструкції збірок ядерних реакторів, що виділяють тепло, і направлений на забезпечення ефективного перемішування теплоносія з метою поліпшення тепловідведення від елементів, що виділяють тепло. Тепловидільна збірка ядерного реактора містить верхній і нижній хвостовики, напрямні канали, твели, розташовані у вузлах трикутної сітки, принаймні одну решітку, яка складається з нерознімно з'єднаних між собою комірок. Кожна з комірок виконана у формі профільованої трубки, поздовжня вісь якої збігається з поздовжньою віссю твела і має поперечний переріз у формі шестикутника, межі якого складаються із середнього й двох крайніх ділянок. Крайні ділянки граней, принаймні у торців осередків, з боку верхнього хвостовика, мають прогин, що монотонно змінюється за величиною вздовж поздовжньої осі осередку. У сусідніх граней комірки крайні ділянки, що примикають до загальної вершини шестикутника, мають протилежний напрямок прогину щодо центру комірки. У граней суміжних осередків, що контактують один з одним, напрямки прогинів відносно центрів власних осередків протилежні. Між комірками решітки відсутній зазор.

Description

Винахід відноситься до області ядерної енергетики, а саме - до конструкції збірок ядерних реакторів, що виділяють тепло, і направлений на забезпечення ефективного перемішування теплоносія з метою поліпшення тепловідведення від елементів, що виділяють тепло.

Сучасні галузеві завдання щодо підвищення енерговироблення на АЕС типу ВВЕР і підвищенню ефективності використання палива на АєБЕС вимагають впровадження вдосконалених паливних циклів. Найбільш простим і ефективним способом збільшення енерговироблення енергоблоків АЕС, які експлуатуються, є підвищення їх встановленої потужності і збільшення тривалості роботи паливних завантажень, що в даний час і реалізується на енергоблоках з ВВЕР. Реалізація цих завдань супроводжується жорсткістю умов експлуатації тепловидільних збірок (підвищення потужності, збільшення нерівномірностей енерговиділення, збільшення тривалості експлуатації). Вимоги забезпечення надійної та безпечної експлуатації при цьому зростають.

Енерговиділення по перетину тепловидільної збірки ядерного реактора має суттєві нерівномірності. Це призводить до нерівномірного розподілу параметрів теплоносія, підвищення парозмісту і, відповідно, зменшення запасів до кризи теплообміну, особливо у внутрішніх рядах тепловидільних елементів (твелів) в тепловидільній збірці.

Аналіз способів підвищення запасу до кризи теплообміну для ВВЕР по роботах російських і зарубіжних фахівців показує, що використання в конструкції тепловидільної збірки інтенсифікаторів теплообміну дозволяє при виборі оптимальної конструкції і взаємному розташуванні інтенсифікаторів і дистанціонуючих решіток забезпечити збільшення запасу до кризи теплообміну на 30-40 95, що становить 10-15 95 теплової потужності реактора. Таким чином, виходячи з необхідності забезпечення теплофізичної надійності тепловидільних збірок в умовах експлуатації при підвищеній потужності тепловидільних збірок і реактора, стає вкрай актуальною задача інтенсифікації теплообміну в тепловидільних збірках за рахунок впровадження нових елементів конструкції - інтенсифікаторів теплообміну (перемішувальних решіток).

Відома тепловидільна збірка ядерного реактора, що містить пристрій для інтенсифікації

Зо теплообміну теплоносія по перетину тепловидільної збірки (див. патент США Мо 3.862.000, заявлений 31.08.72. МКІ 521С 3/34), що представляє решітку, виконану з пересічних пластин, що утворюють при перетині осередки, забезпечені дефлекторами (відхиляючими елементами).

Дефлектори розташовані концентрично місця сходження суміжних кутів сусідніх паливних збірок і орієнтовані в периферійному напрямі так, щоб відхиляти в поперечному напрямку всередині кожної збірки частину поздовжнього потоку теплоносія.

Недоліком даного пристрою тепловидільної збірки є пульсація потоку теплоносія від дії циркуляційного насоса, що передається на пристрій для інтенсифікації теплообміну теплоносія.

У певних випадках це може привести як до відгину, так і до відриву елементів пристрою. Крім того, решітка даної конструкції є технологічно складною у виготовленні.

Найбільш близькою по технічній суті і досягаємому результату до пропонованого технічного рішення є тепловидільна збірка ядерного реактора з поперечним перерізом у формі правильного шестикутника, що містить верхній і нижній хвостовики, направляючі канали, твели, розташовані в вузлах трикутної сітки і, по принаймні, одну решітку, що складається з нероз'ємно з'єднаних між собою осередків, виконаних у формі трубки, поздовжня вісь якої збігається з поздовжньою віссю твела (див. патент РФ Мо 2273062, опубл.27.03.2006, бюл. Мо 9) - прототип.

Недоліком даної конструкції тепловидільної збірки є відсутність можливості експлуатації на підвищеному режимі роботи реакторної установки - в межах 107-110 95 номінальної потужності через неможливість забезпечення безпеки експлуатації ядерного палива.

Технічною задачею, на вирішення якої спрямовано заявлений пристрій, є підвищення надійності тепловидільної збірки, безпеки ядерного реактора і підвищення перемішувальних властивостей.

Технічним результатом, що досягається при використанні заявленого пристрою, є інтенсифікація теплообміну потоку теплоносія в тепловидільній збірці шляхом створення вихрових структур в струменях теплоносія.

Зазначений технічний результат досягається тим, що в певній тепловидільній збірці ядерного реактора з поперечним перерізом у формі правильного шестикутника, що містить верхній і нижній хвостовики, направляючі канали, твели, розташовані в вузлах трикутної сітки і, принаймні, одну решітку, що складається з нероз'ємно з'єднаних між собою осередків, виконаних у формі трубки, поздовжня вісь якої збігається з поздовжньою віссю твела, відповідно бо до винаходу, осередки решітки виконані у формі профільованої трубки і мають поперечний переріз у формі шестикутника, межі якого складаються із середнього й двох крайніх ділянок.

Принаймні, у торців осередків з боку верхнього хвостовика крайні ділянки граней мають прогин, що монотонно змінюється за величиною вздовж поздовжньої осі осередки. У сусідніх граней осередки примикають до загальної вершині шестикутника крайні ділянки мають протилежне щодо центра осередку напрямок прогину. У граней суміжних осередків, що контактують один з одним, напрямки прогинів по відношенню до центрів власних осередків протилежні. Завдання вирішується також і тим, що між осередками решітки відсутній зазор.

Зазначена сукупність ознак дозволяє вирішити поставлену задачу. При експлуатації в реакторі тепловидільної збірки з трикутним розташуванням тепловидільних елементів запропонований вибір геометрії граней осередків решітки, що перемішує, що містять середній і дві крайніх ділянки, забезпечує круговий поступальний рух теплоносія, що проходить через зазначену решітку між гранями осередків і встановленими в осередку твелами, з утворенням вихору. У двофазному потоці теплоносія, що містить воду і пар, за рахунок відцентрових сил створеного вихору важкі частинки потоку (вода) відкидаються на сусідні твели, руйнуючи парову плівку на їх поверхні, а легкі частинки (пар) залишаються в центрі вихору, що в результаті збільшує інтенсифікацію теплообміну.

Виконання прогину на крайніх ділянках, принаймні, у торців осередків з боку верхнього хвостовика, монотонно змінюється за величиною вздовж поздовжньої осі осередки, дозволяє посилити вплив решітки на потік теплоносія.

Протилежність напрямку прогинів по відношенню до центрів власних осередків у граней суміжних осередків, що контактують один з одним, і прогинів крайніх ділянок сусідніх граней, що примикають до загальної вершині шестикутника, забезпечує створення напрямки вихорів таким чином, що сумарний момент вихорів, що діє на тепловидільну збірку, дорівнює нулю.

Відсутність зазору між осередками решітки дозволяє мінімізувати коефіцієнт гідравлічного опору решітки, збільшити зону поширення створених вихорів.

В результаті досягається максимальний сумарний ефект з інтенсифікації теплообміну в тепловидільній збірці в двофазному потоці теплоносія.

На фіг. 1 представлена тепловидільна збірка ядерного реактора, загальний вигляд.

На фіг. 2 представлений принцип роботи пристрою тепловидільної збірки (фрагмент).

Зо На фіг. З представлена перемішувальна решітка: а) розріз А-А над перемішувальною решіткою (фрагмент); б) вид в ізометрії (фрагмент).

На фіг. 4 представлений осередок (варіант), перетин.

На фіг. 5 представлений осередок (варіант), спереду.

На фіг. 6 представлений осередок, вид в ізометрії.

Тепловидільна збірка ядерного реактора містить верхній 1 і нижній 2 хвостовики, направляючі канали (не показані), твели 3, розташовані в вузлах трикутної сітки, принаймні, одну перемішувальну решітку 4, що складається з нероз'ємно з'єднаних між собою осередків 5, виконаних у формі багатогранної трубки, поздовжня вісь 6 якої збігається з поздовжньою віссю 7 твела 3. Між твелами З і осередками 5 решітки утворені похилі канали 8 для проходження теплоносія 9, що утворює внаслідок геометрії осередку вихор 10. Потік теплоносія 9 проходить від верхнього до нижнього хвостовика тепловидільної збірки.

Осередки 5 решітки 4 мають поперечний переріз у формі шестикутника, межі 11 якого складаються з середньої 12 і двох крайніх 13 ділянок. Принаймні, у торців 14 осередків 5 з боку верхнього хвостовика крайні ділянки 13 граней 11 виконані з прогином 15, який монотонно змінюється за величиною вздовж поздовжньої осі 6 осередку 5.

У сусідніх граней 11 осередки 5, що примикають до загальної вершини 16 шестикутника крайні ділянки 13 мають протилежний щодо центру 17 осередки 5 напрямок прогину 15, у граней 11, що контактують один з одним, суміжних осередків 5 напрямки прогинів 15 по відношенню до центрів 17 власних осередків 5 протилежні. Завдання вирішується також і тим, що між осередками 5 решітки відсутній зазор.

Для збільшення нахилу стінка осередку 5 з одного боку має увігнуту ділянку 18, а з іншого боку осередку 5 на стінці виконана опукла ділянка 19.

Як приклад наведена тепловидільна збірка ядерного реактора, в якій решітка пропонованої конструкції встановлюється перпендикулярно поздовжньої осі тепловидільної збірки і закріплюється на поздовжніх силових елементах, наприклад, направляючих каналах. При цьому в місцях проходження напрямних каналів крізь решітку осередки можуть бути пропущені.

Твели З проходять крізь перемішувальну решітку 4 всередині осередків 5, при цьому між осередками 5 і твелами З утворюються похилі канали 8. Під час роботи тепловидільної збірки в бо реакторі теплоносій 9 надходить в тепловидільну збірку і нагрівається за рахунок енерговиділення твелів 3. Теплоносій 9, проходячи через осередки 5 і похилі канали 8, втягується в круговий поступальний рух і утворює вихор 10. У двофазному потоці теплоносія, що містить воду і пар, за рахунок відцентрових сил важкі частинки потоку (вода) відкидаються на сусідні твели 3, руйнуючи парову плівку на їх поверхні, а легкі частинки (пар) залишаються в центрі вихору 10, що в результаті збільшує інтенсифікацію теплообміну.

Виконання сусідніх граней 11 осередки 5 з крайніми ділянками 13, що примикають до загальної вершини 16 шестикутника, що мають протилежне щодо центру 17 осередку 5 напрямок прогину 15, а граней 11 суміжних осередків 5, що контактують один з одним - з протилежним напрямком прогинів 15 по відношенню до центрів 17 власних осередків 5 забезпечує виключення крутного моменту, що передається на тепловидільні збірки від решітки, тому суміжні вихори, що утворюються в результаті, мають протилежний зміст обертання.

Виконання увігнутої ділянки 18 з одного боку стінки комірки 5 і опуклої ділянки 19 з іншого боку стінки комірки 5 забезпечує величину нахилу граней осередки оптимальних розмірів з точки зору відхилення потоку теплоносія 9 і утворення вихору 10.

Установка осередків 5 в перемішувальній решітці 4 без зазорів забезпечує мінімізацію коефіцієнта гідравлічного опору.

Даний винахід є промислово придатним і може бути використано при виготовленні тепловидільних збірок ядерних енергетичних реакторів, що мають підвищену безпеку за рахунок зниження нерівномірності параметрів теплоносія в тепловидільній збірці і активній зоні, з можливістю підвищення потужності реактора за рахунок збільшення запасів до критичних параметрів теплоносія.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

   1. Тепловидільна збірка ядерного реактора, що містить верхній і нижній хвостовики, направляючі канали, твели, розташовані у вузлах трикутної сітки, і принаймні одну решітку, що складається з нероз'ємно з'єднаних між собою осередків, кожен з яких виконаний у формі трубки, поздовжня вісь якої збігається з поздовжньою віссю твела, яка відрізняється тим, що осередки решітки виконані у формі профільованої трубки і мають поперечний переріз у формі Зо шестикутника, межі якого складаються із середньої й двох крайніх ділянок, принаймні у торців осередків, з боку верхнього хвостовика, крайні ділянки граней мають прогин, що монотонно змінюється за величиною вздовж поздовжньої осі осередків, у сусідніх граней осередки - крайні ділянки, що примикають до загальної вершини шестикутника, мають протилежний щодо центру осередку напрямок прогину, у граней суміжних осередків напрямки прогинів, що контактують один з одним, відносно власних осередків протилежні.

   2. Тепловидільна збірка ядерного реактора за п. 1, яка відрізняється тим, що між осередками решітки відсутній зазор.

   » й жна, не ш- МК Ю -Х ок ЩІ мае С нем ек ЗЕ: у її АКДП Я ло ллє Е пап ТЕТ шани АЕН ! ї ще кпк тяхши хіхкітетутья - з КРІТ КТ Я ак ск Я й б БЕН у Ше ши й зх інв шк Шо ЩІ ши не у - я ВЕ Ше ї о чем Ж Е шині Е з Е. а Ї Е ; зооеточчалннин ке й а Н вас я ту шо НИ | ! А : ь Е й 16 і ; щі т Мис І І і івано 4 а Я і е мок не : м. І о ше й ї т. ес | ; Н Кк чех ; : ри й МБ. ; щей ШИ ; ; я я Е ІЗ . і ж ї ж З ее В дкткн ї з с М ІЗ ше рай Во ми оч "ку Е вай і їчх й з о, що ЧАЇ Мн Й г с ть КЕ Зеш ТА .

   13. Ко во над а на у, ; с м ве НН ' с КО ен ча кни й ех ; 5 шкі ж: о ев, Ка ї ящЇ Несай шк ех о соапилюжннн ВІ : Гак ЯН Я ТС иНИ А у нний ЩЕ І БК кни и ки НЕ ЕНН , ТИ Шини ни туш: НН НН в Ж в Най І яея Я кт НЕ Я: ія ТІЙ шин ши ши с. ит Е НІ ща ) і ни не с: ! т На СІ ще я е ' Є у ; Я т У воай и вия «у й Шк І Г и й ве 5 КЕ: й ча Б й Ко; х я х а й й; й и я а ГК і Н 5 ква Я з Я Ко ху 1 З а, ; с Ши "ла Ї із р с Бе т М КК сорок У Ї Я ефе у Ша ра: ИН В 4 ; і НМ 4 шен у ке З са з Ж а й ит аа ок чав се Й Я Ман Н і 1 й: їн й я , ч у і ва: У Ко. ще ре: ще ЛИ киш пив АЙ 0 «Амвінт дно ий у; й кв ШИ шк аж ВЕ дя ще по й зелена я : 135 13 М Шк Те Х Шк йо я рей х с а: - и ої За ТЕЖ дяк їх є і и ї Шен Ї і р : ку Н й ! Ж Шо й о Й їі х щ ня і х Са га ЛК за я Тіз ся зай пи 1 с ві б

   Ід ге З ї я пи : ТЕ й і р ї Я Я іх : З ! ! Ї В : гі ї : ча В ве; | щі о о нн тав ть, Кона и г

   : Я. ша Ів т с я з У ; я дяежтт са ще рани й й ! х ї кб ще , у, ко бе Кк ща тк, гер ом і і І п Я і Й Я че х ока, й | - - щ- є й Кк с щі І?

   ч.ч Е Мах ї КУ Я С , Б"

   ЕК Із ме ре шк я н й Ж і Ж ші а -х Ши с, Ше Ши