WO2018044206A1

WO2018044206A1 - Тепловыделяющий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах

Info

Publication number: WO2018044206A1
Application number: PCT/RU2017/000638
Authority: WO
Inventors: Никита Геннадьевич ЧЕРНЕЦОВ; Виктор Николаевич ЛЕОНОВ; Алексей Борисович ШЕВЧЕНКО; Елена Александровна РОДИНА; Юрий Васильевич ЧЕРНОБРОВКИН
Original assignee: Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2018-03-08
Also published as: EP3509072A1; RU2646597C1; EP3509072B1; CN109690691B; KR20190039739A; JP2022008557A; EP3509072A4; US20210012912A1; KR102263426B1; JP7185621B2; US11610692B2; JP2019529889A; CN109690691A

Abstract

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок для активных зон реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Технический результат изобретения состоит в снижении металлоемкости твэла. В твэле для реактора на быстрых нейтронах (включающем ядерное топливо, размещенное в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой оболочки из стали и концевых деталей, элемент дистанционирования, навитый по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки и закрепленный на концах твэла на концевых деталях) элемент дистанционирования выполнен в форме скрученной вокруг продольной оси металлической ленты, ширина которой примерно равна минимальному расстоянию между соседними твэлами и тепловыделяющей сборке ядерного реактора, а площадь поперечного сечения ленты задана в пределах от 0,1 до 0,5 oт площади описанной вокруг этого сечения окружности.

Description

Тепловыделяющий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах

Область техники

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов и чехловых тепловыделяющих сборок для активных зон реакторов на быстрых нейтронах с жндкоме галл и ческим теплоносителем,

Предш е с твуго щий уро вен ь

Известен тепловыделяющий элемент (далее - твэл.) для формирования тепловыделяющих сборок (далее - ТВС) реакторов на быетрых нейтронах с жндкометаллическим теплоносителем. Твэл включает ядерное топливо, размещённое в герметичном контейнере, который выполнен в виде тонкостенной трубчатой оболочки из хромистой стали и концевых заглушек. Твэл также включает элемент дистанционирования в виде проволоки, навитой но спирали с большим шагом но его длине на наружную поверхность оболочки и закрепленной на концах твэла на оболочке или заглушках. Элемент предназначен для формирования ТВС в виде пучка параллельных твэлов, которые равномерно (с определённым относительным шагом) распределены по поперечному сечению ТВС и помещены в чехол сборки. Такая конструкция твэла и ТВС прошла практическую проверку в реакторах на быстрых нейтронах тина БН с натриевым теплоносителем. В эксплуатировавшихся реакторах типа БН наружный диаметр оболочки твэлов изменялся в диапазоне от 5,9 мм до 7.5 мм. толщина оболочки составляла около 0,3 мм, а диаметр проволоки для изготовления элемента дистанционирования, который определял минимальное расстояние между оболочками соседних твэлов в треугольной решетке ТВС, - около 1 мм. Однако такая конструкция твэла имеет недостатки при использовании в ТВС для разрабатываемых реакторов на быс трых нейтронах со свинцовым теплоносителем и нитрид ным уран -плутониевым топливом. Это обусловлено тем, что для обеспечения оптимальных характеристик активных зон таких реакторов расстояние между оболочками соседних твэлов имеют существенно большую величину но сравнению с реакторами с жидкометалл ическим теплоносителем типа БН. Так для проектируемого реактора типа БР-1200 наружный диаметр оболочки твэла может составлять более 10 мм, а расстояние между соседними твэламк в ТВС - более З мм. В этом случае использование известной конструкции для твэлов реактора типа БР-1200 связано с навивкой на тонкостенную трубку проволоки из нержавеющей стали диаметром около 3 мм. Такое исполнение твэла увеличит металлоёмкость ТВС, что приведет к ухудшению нейтронно-физических характеристик активной зоны реактора. Кроме того, навивка с заданным натягом массивной проволоки на поверхность тонкостенной оболочки может привес ти к заметным искажениям геометрической формы твэла, например, к его искривлению или другой деформации. Другим недостатком такой конструкции -гаэла является жёсткость элемента дистанционирования в поперечной плоскости сечения.

Известен твэл для формирования ТВС реакторов на быстрых нейтронах с жидком стал л и чес к им теплоноси телем, который включает ядерное топливо, размещённое в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой стальной оболочки с заглушками, и элемент дистанционирования, размещенный на наружной поверхности оболочки и закреплённый по краям твэла (ОВ 1459562). Элемент представляет собой проволочную спираль в форме пружины, которая в свою очередь навита по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки. Такая конструкция позволяет обеспечить заданное расстояние между соседними твэлами в ^"ГВС при относительно низкой металлоёмкости элемента. Однако элемент н твэле такой конструкции изготавливается из относительно тонкой проволоки, длина ко торой в несколько раз превышает длину твэла. Поэтому при нагреве до рабочих температур металлического теплоносителя и ак тивной зоне реактора общая длина проволоки существенно увеличивается, что может привести к локальным искажениям геометрической формы спирали и смещению ее витков относительно поверхности ободочки твэла. Это повышае т вероятность формирования многочисленных очагов точечной фреттинг-коррозии в местах контакта относительно подвижных витков пружины с оболочкой твэла.

Известен твэл для формирования ТВС реакторов на быс трых нейтронах с жидком еталлическим теплоноси телем, который включает ядерное топливо, размещённое в герметичном контейнере в виде т онкостенной трубчатой стальной оболочки и концевых заглушек. Па поверхности оболочки с большим шагом но спирали навит элемент дистанционирования, который закреплён на заглушках твэла (US3944468). Элемент выполнен в виде двух сопряжённых между собой деталей - тонкостенной трубки и размещённой внутри трубки армирующей проволоки . При этом на заглушках закреплена только проволока, а трубка зажимается между проволокой и наружной поверхностью оболочки при изготовлении твэла. Такая конструкция позволяет распределить свойства и функции элемента дистанционирования между его двумя составными частями и за счёт этого обеспечить заданный комплекс его свойств. Необходимая: прочность элемента в продольном направлении обеспечивается за счёт выбора диаметра проволоки. Необходимое расстояние между твэлами в ГВС обеспечивается за счёт выбора наружного диаметра трубки. Возможность деформации элемента и компенсации распухания топлива в радиальном направлении обеспечивается за счё т малой толщины стенки трубки. Недоста тком конструкции является её сложность, относительно высокая метадлоёмкость, повышенная вероятность накопления примесей из теплоносителя в топком: зазоре между проволокой и трубкой, а также возможность образования застойных зон для свинцового теплоносителя внутри трубки. Это существенно повышает вероятность возникновения локальных зон перегрева оболочки и очагов коррозии в свинцовом теплоносителе в зонах контакта оболочки, проволоки и трубки,

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение металлоемкости элемента диетам ционирования и твэла. Достижение указанного технического результата способствует повышению ней троино-физических параметров активной зоны реактора на быстрых нейтронах.

Сущность изобретен и я

Технический результат в изобретении достигается тем, что в твэле для реактора на быстрых нейтронах (включающем ядерное топливо, размещённое в герметичном контейнере в виде тонкостенной трубчатой оболочки из стали и заглушек, элемент листая пионировапня. навитый по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки и закреплённый на концах твэла к заглушкам; а также дополнительные детали. которые могут быть размещены внутри оболочки твэла, например, фиксаторы топливных таблеток или вставки из неделящихся материалов, металлический расплав и другое) элемент дистанционнронания выполнен в форме скрученной вокруг продольной оси металлической ленты, ширина которой примерно равна минимальному расстоянию между соседними тв кзами в тешювьщеляющей сборке ядерног о реактора, а площадь поперечного сечения ленты задана в пределах от 0.1 до 0,5 от площади описанной вокруг этого сечения окружности.

Ниже при описании изобретения упомянутый элемент дисташшоиирования, выполненный п форме скрученной вокруг продольной оси металлической ленты, обозначен для краткости как «витая лента» (приводится далее без кавычек).

Выполнение витой ленты с шириной примерно равной минимальному расстоянию между соседними твэламн позволяе т обеспечить их надежное диетанционирошш не между собой в тепловыделяющей сборке ядерного реактора.

Нижний предел площади поперечного сечения витой ленты - 0, 1 площади описанной вокруг этого сечения окружности - обусловлен необходимостью придать скрученной витой ленте определенную жёсткость для сохранения заданной формы. Верхний предел шющади поперечного сечения витой ленты - 0,5 площади описанной вокруг этого сечения окружности — обусловлен необходимостью снижения металлоёмкости элемента дисташшонирования.

Возможные частные варианты выполнения твэла характеризуются приведенными ниже признаками. Направление скручивания питой ленты вокруг продольной оси и направление навивки элемента дистанднонироваиия на оболочку твэяа по спирали в предложен ной конструкции твэла могут как совпадать, так и противоположны между собой. Обо варианта выполнения твэла с указанными частными признаками направлений скручивания и навивки обеспечивают эффективное дистан ционирование твэлов между собой в тепловыделяющей сборке ядерного реактора.

Элемент диетанционирования выполнен из той же стал и, что и оболочка твэла. Такое выполнение элемента диетанционирования позволяет использовать в активной зоне проверенный и коррозионностойкий материал с оптимальными характеристиками при рабочих температурах теплоносителя.

Кромки витой ленты скруглены, что позволяет избежать механических повреждений оболочек соседних твэлов в случае вибрационных колебаний твэлов в активной зоне,

Описание чертежей

Изобретение поясняется рисунками, приведен ными на фиг. 1 - 5.

На фит. 1 приведено изображение витой ленты до навивки на твэл.

На фиг. 2 приведено изображение твэла с совпадающими направлениями навивки элемента диетанционирования и скручивания ленты.

На фиг, 3 приведено изображение семи твэлов, между которыми размещены элементы диетанционирования в виде витых лент, имеющих прямоугольные поперечные сечения.

На фиг. 4 приведено изображение схемы диетанционирования твэла относительно соседнего твэла_» в которой направления навивки элемента диетанционирования и скручивания ленты совпадают.

На фиг. 5 приведено изображение схемы диетанционирования твэла относительно соседнего твэла, в которой направления навивки элемента диетанционирования и скручивания витой ленты противоположны.

Описание вариантов реализации изобретения

Твэл в соответствии с одним из возможных вариантов выполнения изобретения (см. фиг. 2, фиг. 4 и фиг. 5) содержит оболочку ( 1 ), которая по торцам герметизирована заглушками (3). На наружную поверхность оболочки (1) навит по спирали с большим шагом элемент диетанционирования, который включает витую ленту (2) и концевые участки (4). Концевые участки (4) приварены к заглушкам (3). Внутри оболочки ( I ) размещено ядерное топливо ( 5), а также, при необходимости, другие детали и материалы, например, фиксаторы топлива, элементы из неактивных материалов, металлические расплавы в зазоре между топливом и оболочкой, и другие (не показаны).

Для обеспечения надёжного дистапционирования твэла с каждым из соседних твэла» на одном шаге навивки элемента дистаяционирования на оболочку шаг скручивания витой ленты определяется по формуле:

где S₂ - шаг скручивания витой ленты вокруг продольной оси;

Si - шаг навивки элемента дистапционирования на оболочку твэла, определяемый из условия вибрационной прочности пучка твэлов в ТВС;

d - наружный диаметр оболочки твэла;

δ - ширина витой лента;

Ν - количество полных витков скрученной с шагом S₂ витой леиты на одном шаге 5Y, которое определяется по следующим формулам;

- для однонаправленной навивки

Ν = Ν₀ = 1 + 6 · п; (2)

- для разнонаправленной навивки

Ν = Ν_ρ = 2 + 6 - η, (3) где п - число, выбираемое из рада I , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. При этом большее значение п обеспечивает меньшее возможное отклонение между элементом дистапционирования и соседними твзлами, которое может возникнуть из-за погрешностей размеров при изготовлении твэла и тепловыделяющей сборки.

Вывод формул ( I ). (2) и (3) приведен в приложении 1,

Однако выбираемое значение п. ограничивается допустимым относительным удлинением материала витой ленты при пластической деформации материала в облас ти продольных кромок яри скручивании. Поэтому значение п должно удовлетворять условию:

- для однонаправленных направлений скручивания ленты и навивки элемента дистанцион ирован

η <

в

- для разнонаправленных направлений скручивания ленты и навивки элемента дистанцион ирования навивки

6

где <5₅ (С_ИЗГ} ~ удлинение при разрыве для материала ленты п ри температуре изготовления (скручивания);

^зап - коэффициент чаи аса по допустимому удлинению при скручивании ленты.

Вывод формул (4) и (5) приведён и приложении 2.

Расчет зависимости возможного отклонения между элементом листан ционирования н соседними твэлами при использовании витой ленты приведён в приложении 3.

Ниже приведены примеры осуществления твэла в соответствии с изобретением. Пример 1 . Изготавливают твэл с наружным диаметром оболочки 10,5 мм и её толщиной 0,5 мм с элементом дисташщонирования (2) в виде ленты с прямоугольным поперечным сечением 2.6x0.5 мм, причём углы прямоугольника закруглены с радиусом 0,25 мм. Оболочка ( 1 ) твэла и элемент листан ционирования (2) выполнены из стали, обладающей повышенной коррозионной стойкостью в среде свинцового теплоносителя. Ленту скручивают в холодном состоянии вокруг продольной оси с шагом 8,2 мм (шаг рассчитан по формулам ( 1 ), (2) и (4)), путём , например, протягивания через вращающуюся фильеру. При этом относителыгая деформация материала ленты в области продольных кромок составляет 42,7 % (принята максимальная допустимая относительная деформация 50 % при температуре 20 °С по аналогии с листом из стали 10Х18М9 и коэффициент запаса 1 , 1 ). ^'При таком шаге на одном витке спирали укладывается 1 9 малых витков скрученной лен ты. После этого лепта (2) навивается на ободочку твэла ( 1 ) с шагом навивки 250 мм в направлении, совпадающем с направлением закрутки ленты вокруг центральной продольной оси, и закрепляется своими концевыми элементами (4) на заглушках (3) твэла.

Пример 2. Изготавливают твэл с элементом дистан ционирования (2) с размерами, приведёнными в примере 1. Для изготовления используют ленту с размерами, приведёнными в примере 1 . Ленту скручивают вокруг продольной оси с шагом 7,9 мм, и навивают на оболочку (1) твэла с шагом навивки 250 мм в направлении, противоположном направлению скрутки ленты вокруг центральной продольной оси, и закрепляют концевыми элементами (4) на заглушках (3) твэла.

Пример 3. Изготавливают твэл с элементом листании»! трования в виде витой ленты с учетом возможных предельных отклонений геометрических размеров твэла и элемента дистаицнонироваиия, которые заложены в технический проект твэла и ПЗС реакторной установки БН-1200. Размеры прямоугольного поперечного сечения ленты составляют 2,56x0,5 мм. Наружный диаметр гвэла — 10,53 мм. Шаг навивки элемента дн стал цно11и pouai ι ия на оболочку тиэла 258,3 мм. Лента скручивается вокруг продольной оси с шагом 20, 10 мм и навивается на оболочку гвэла. В этом случае в соответствии с методикой, изложенной в приложении 2, можно показать, что при наиболее неблагоприятном сочетании пог решностей в изготовлении твэла и ТВС максимальное возможное смещение соседнего твэла от его номинального положения составит 0, 16 мм.

Предложенная конструкция позволяет существенно снизить металлоёмкость твэла за счёт выполнения элемента дистаиционирования в виде витой ленты. Например, в активной зоне с твэлами с оболочкой наружным диаметром 10,5 мм, расположенными с шагом 13, 1 мм в узлах треугольной решётки, при дистанционировании витой лентой с размерами поперечного сечения 2,6x0,5 мм относительная металлоёмкость (отношение объёмов элементов диетандиоиирования) ви той ленты по сравнению с дистанционирутощей проволокой диаметром 2,6 мм составляет 24,5 %. Относительная металлоёмкость витой ленты но сравнению с трубкой 0 2,6 х 0,5 мм составляет 39,4 %, а по сравнению с трубкой 0 2,6 х 0,3 мм - 60.0 %.

Кроме того, важным дополнительным техническим результатом предлагаемого изобретения является дополнительная турбулизация потока теплоносителя в тепловыделяющей сборке, набранной из твэлов, в которых используются в качестве листан ционирующих элементов витые ленты. Дополнительная турбулизация потока теплоносителя формируется благодаря скручиванию самих лент вокруг их осей, позволяет уменьшить возможность образования и площадь застойных зон теплоносителя, а, следовательно, и «горячих пятен» на оболочке твэла.

Достижение указанных технических результатов способствует улучшению нейтронно-физических характеристик и надёжности работы активной зоны реактора на быстрых нейтронах. Указанные свойства технического решения позволяют предполагать возможность его практического применения при изготовлении твэлов и ТВС для реакторов на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. Приложение 1

Выведем формулу для шагов навивки в зависимости от геометрических параметров пучка твэлов и дисгапциоиирующего элемента, Принципиально возможно несколько различных ситуаций:

- диетанциоиирование осуществляется только в одном направлении, и через шаг большой спирали касание в этом же направлении повторяется;

- диетанциоиирование осуществляется в трёх направлениях, то есть на одном шаге большой спирали проволока поочерёдно касается твэла в направлении 0°, твэла в направлении 120° и твэла в направлении 240°;

- дистанционирование осуществляется в шести направлениях, то есть на одном шаге большой спирали проволока поочерёдно касается всех соседних твэлов (именно этот случай нас будет интересовать).

Получим для начала некоторые уравнения для геометрических параметров.

Свяжем с 'i n злом цилиндрическую систему координат. Рассмотрим один виток большой спирали. Параметрическое уравнение будет иметь вид:

s

<р(0 = 2² я г где 0 < £ < 1, ^{( 1 )} z(t) = S₁ · t

где $ = d + δ - шаг решётки твэлов;

d - наружный диаметр оболочки твэла;

S - больший размер поперечного сечения витой ленты;

5_Х - шаг полного оборота большой спирали (шаг навивки на оболочку твэла);

t - параметр уравнения.

В декартовых координатах уравнение (1 ) примет вид

х(£) = — - cos(2 · π · t)

I (2)

>(0 = ! - si n(2 · * · £) < где 0 < £ < 1.

Выполняя развёртку витка спирали, получим уравнение для длины вдоль большой спирали в зависимости от параметра t:

L(t) = Js? + (я · s)² · С. ^(J)

Угол наклона касательной к большой спирали к плоскости поперечного сечения твэла (иначе говоря, угод наклона оси спирали к горизонту) будет равен:

Уравнение для угла поворота поперечного сечения витой ленты вокруг спирали при движении вдоль витка имеет вид:

0(г) = 2 · ;r ~ · С, ⁽⁵⁾ где 5₂ - шаг одного оборота витой ленты (шаг навивки ленты). Чтобы выполнялось идеальное касание, на каждом шаге большой спирали витая лента должна поочередно коснуться всех 6 соседних твздов через 1 /6 шага. При этом угол поворота поперечного сечения должен быть равен:

- О для первого соседнего твэла;

. 1 + 2 · тг · щ, где щ - произвольное целое число - для второго соседнего твэла;

- ^~ + 2 · п · щ - для третьего соседнего твэла;

- п + 2 · π · п₃ - для четвёртого соседнего твэла;

-— + 2 - π - п₄ - для пятого соседнего твэла;

-— + 2 - яг - п_ч ~ для шестого соседнего твэла.

Рассмотрим первый виток большой спирали. Для каждой точки касания параметр t равен 0, -, -, -. Подставляя эти значения параметра в уравнение (5), получим

6 6 6 6 6

следующие уравнения, определяющие условия касания:

Кроме того, можно записать параметр s через, диаметр твэла и длину сечения проволоки δ. Учтём здесь, кроме того, что длина сечения проволоки в проекции на горизонтальную плоскость <5_пр получается несколько меньше реальной длины сечения проволоки (за счёт того, что спираль имеет некоторый наклон к горизонтальной плоскости): δ_ηρ— S - κίη(α) = S - -_j=i===. Тогда выполняется равенство s = d_TU + 6_ир. где d_Te - наружный диаметр оболочки твэла. Из уравнений (6) выразим шаг вращения ленты:

1

З^' _г— L

1 + 6 · п, '

= L (7)

1 + 3 · л₂ '

1

S_?— L

В результате получаем следующий ряд для шага закрутки ленты:

5₂ 1

L 1 + 6 · п

РРаассссммооттрриимм ввааррииааннтт,, ккооггддаа ннааппррааввллееннииее вврраащщеенниияя ннааввииввккии ппррооттииввооппооллоожжнноо ннааппррааввллееннииюю вврраащщеенниияя ббооллььшшоойй ссппиирршшшш.. ВВ ээттоомм ссллууччааее ууггллыы ппооввооррооттаа ссееччеенниияя ддооллжжнныы ббыыттьь с сллееддууюющщииммии::

-- О0 ддлляя ппееррввоогого ссооссееддннееггоо ттввээллаа;;

++ 22 ·· яя ·· ггцц,, ггддее щщ—— ппррооииззввооллььннооее ццееллооее ччииссллоо -- д длляя ввттооррооггоо ссооссееддннееггоо

твэла;

- + 2 · ж · п₂ - для третьего соседнего твэла;

- (—2 · п) + 2 · π · щ - для четвертого соседнего твэла;

-— + 2 " 7Г · 7ц - для пятого соседнего твэла;

- + 2 · π ' щ - для шестого соседнего твэла.

При этом формула для угла поворота будет иметь вид:

S₂

Получим в этом случае следующую систему

<⁹>

В итоге получаем следующий ряд для шага га крутки ленты вокруг продольной оси

£2 1

L ~ 2 + 6-л^'

Полученные ряды чисел 1 + 6 · л и 2 + 6 · п можно обозначить череч N. Это число показывает количество малых витков скрученной ленты на одном большом витке спирали.

Приложение 2

На рисунках 1 и 2 приведён вид сверху на 7 твэлоа с проволоками (при построении использованы следующие рашерм: s = 12,98 мм; d = 10,53 мм; $ы_в = 258,3 м м; δ— 2,45 м м; S_smatl = 30,61 м м (данные значения выбраны е учётом возможных геометрических допусков)). На рисунке 1 приведён вариант, когда направление закрутки ленты и направление навивки спирали на оболочку твэла совпадают, а на рисунке 2 -» когда зги направления противоположны. Сечение сделано на высоте 260 мм (то есть показан один полный виток большой спирали).

Рисунок 1— Однонаправленная навивка

Рисунок 2 - Разнонаправленная навивка

Из сравнения рисунков видно, что и принципе более предпочтительной является однонаправленная навивка, поскольку при этом получается более плавная огибающая дистанциоиирующей ленты (если смотреть сверху). Кроме того, можно заметить, что чем меньше шаг- закру тки ленты вокруг продольной оси, тем ближе огибающая приближается к окружности. Из рисунка 1 видно, что несмотря на допуски и отклонения размеров, дистанционирование со всеми соседними твзлами обесп еч ивается. Максимальный возможный зазор равен ширине «впадины » между идеальной окружностью и огибающей ленты. Оценим это т размер.

Рассмотрим схему на рисунке 3. Получим уравиеи ин в пол ярных координатах для точек 1 и 2 (край них точек дистанциоиирующей ленты):

I

0(f) = 2 · я ·— · · t;

2

(3)

Построим линии по уравнениям (3) - (6) в полярных координатах. Используем следующие размеры: d = 10,53 мм; S_big— 258,3 мм; S = 2,45 мм; S_smaU = 37,36 мм. Линии покачаны на рисунке 4. Из рнсунка 4 видно, как найти размер «впадины». Для этого нужно найти радиус точки пересечения. Приравнивая радиусы из уравнений (3) и (4), найдём значения пар

аметра t. соответствующие точкам пересечения;

где к - натуральное число.

При к = 0 получим t„_ep = 0,036. Этому Г соответствует радиус R = 6,49 мм. Тогда ширина «впадины» будет равна Δ/? = 1,22 мм.

Рисунок 4 - Траектории крайних точек поперечного сечения витой ленты на одном полном витке большой спирали Можно показать, что ширина «впадины» не зависит от того, сколько раз лента закручивается вокруг своей оси иа шаге большой спирали. Если подставить значение параметра t_m._(> из уравнения (7) в уравнение (3) иди (4), то получим /?„„ = | + ~. Тогда получается, что

δ < 8)

Однако, несмотря на то, что ширина «ннадииы» остаётся постоянной, при малом шаге закрутке ленты соседний твэл сможет зайти в неё только на часть ширины, поэтому реальный минимальный возможный зазор будет значительно меньше, чем определённый но (8). Найдём этот зазор.

Рассмотрим первую точку пересечения кривых на рисунке 4. Для неё параметр £ равен

S₂ (9) pi

4 · /.„

а соответствующий угол <р: Ψηνρ — 2 ^' Π ^' turpi - ( Ю)

Рассмотрим окружность с диаметром, равным диаметру твэла, с центром на дуче, идущем из начала координат под утлом ψ_αορ. Пусть эта окружность отстоит от точки пересечения ог ибающих кривых на расстояние Д_ааз, Тогда расстояние от начала координат (центра рассматриваемого твэла) до центра соседней окружности (гипотетического твэла, попавшего во «впадину») будет равно:

Проведём из начала координат касательную к окружности, соответствующей соседнему -гаэлу. Угод между этой касательной и лучом, соединяющем цен гы окружностей, будет равен

Я™ \ ( 1 2)

&<р_кж = a res in

R центр.

Проведём под углом Δ,φ к лучу, соединяющему центры окружностей, другой луч, н найдём расстояния от начала координа т до точки пересечения этого луча с огибающими кривыми и до точки пересечения с соседней окружностью. Расчётная схема показана на рисунке 5.

V, л*

\

у*-

\

Рисунок 5 - Расчетная схема для определения минимального зазора Рассматривая рисунок 5, мы можем записать следующие геометрические соотношения:

Из этих уравнений можно получить квадратное уравнение относительно длины L. решая которое, находим уравнение для определения L:

При помощи

длин от начала координат до огибающих кривых и до пересечения с окружностью. Построим графики этих зависимостей и найдём такое значение й_зт> при котором происходит касание окружности и огибающей. Рассмотрим, например, следующие размеры: δ = 2,56 мм; Я_т> = 5_Д265 мм; 5,„„ = 258,3 мм; S_smaU = ~ · /.,_иш = 37,365 мм; Л_заз= 0,91 мм . При этом подучим график зависимостей разностей длин от угла луча, показанный на рисунке б. Как видно из рисунка 6, при заданном Δ.,_:ι., происходит касание соседней окружности и огибающей ленты.

curvet.

curvc2.

Рисунок 6 - Зависимость разностей длин от начала координат до точки пересечения узлом огибающей и соседней окружности T RU2017/000638

Рассмотрим, как зависит минимальный возможный зазор между соседним твэлом и огибающей проволоки от шага закрутки ленты вокруг продольной оси. Интуитивно кажется очевидным, что при уменьшении шага закрутки огибающая стремится к описанной окружности радиусом Я_тв + δ. Рассмотрим несколько шагов закрутки: - ; -i- и ·— от длины витка. Результаты расчётов приведём в таблице 1 .

Таблица 1 - Расчёт минимального возможного зазора

Как видно из таблицы, интуитивное заключение подтверждается. Получается, что при малом, шаге закрутке ленты дистанционирование будет обеспечено даже при самых неблагоприятных отклонениях размеров. Шаг закрутки, однако, ограничен технолог ией изготовления витой ленты.

Приложение 3

При скручивании плоской лешгсл в спираль её образующие, проходящие через крайние точки поперечного сечения, имеют наибольшую длину. Таким образом, в процессе скручивания происходит некоторое пластическое деформирование материала ленты. По удлинению образующей относительно продольной оси ленты можно оценить относительное удлинение материала. Выполняя развёртку крайней образующей, найдём, что её длина равна

где S₂— шаг скручивания ленты;

δ - ширина ленты (наибольшее расстояние между крайними точками сечения ленты, или диаметр описанной окружности вокруг скрученной ленты).

Начальная длина этой образующей (до скручивания) равнялась

L₀ = S₂. (2) Тогда максимальное относительное удлинение при скручивании ленты составит

Выразим шаг скручивания через шаг навивки ленты на твэл и размеры также через натуральное число п, в соответствии с приложением 1 ;

для однонаправленной навивки.

Перепишем формулу (3) с учётом (4): ε,_ηαχ

(5)

При скручивании должно выполняться условие;

^s (W) (6) επιαχ—

лзап

где <5₅ (t_H3r) - удлинение при разрыве для материала ленты при температуре изготовления (скручивания);

#^* _згш - коэффициент запаса по допустимому удлинению при скручивании ленты.

Из (5) и (6) получим ограничение на допустимое значение п: Sf + (it · (d + δ))'

(7) ж - 8

11 <

Похожая формула получится и для разнонаправленной навивки, только нужно будет взять

(8)

I 2 + 6 · п

Claims

Формула изобретения

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора на быстрых нейтронах, включающий ядерное топливо, размещённое о герметичном контейнере в виде тонкостенной трубча шй оболочки и заглушек, элемент дистанционирования, навитый по спирали с большим шагом на наружную поверхность оболочки и закреплённый на концах в заглушках, отличающийся тем, что элемент ди стан ционировапия выполнен в виде скрученной вокруг продольной оси ленты, ширина которой примерно равна минимальному расстоянию между соседними твэлами в тепловыделяющей сборке ядерного реактора, а площадь поперечного сечения ленты задана в пределах от 0, 1 до 0,5 от площади описанной вокруг этого сечения окружности.

2. Твэл по п. 1. отличающийся тем. что направление навивки элемента дистаиционирования на оболочку твэла и направление скручивания ленты вокруг продольной оси совпадают, и при этом шаг' скручивания ленты рассчитывают по формуле

где S₂ - шаг скручивания витой ленты вокруг продол ьной оси;

S_l - шаг навивки элемента дистаиционирования на оболочку твэла, определяемый из условия вибрационной прочнос ти пучка твэл о в в ТВС;

d - наружный диаметр оболочки твэла;

δ - ширина ленты;

Ν₀ — количество полных витков скрученной ленты на одном шаге Sj при совпадающих направлениях скручивания и навивки,

3. Твэл по п. 1 , отличающийся тем, что направление навивки элемента дистаиционирования на оболочку твэла и направление скручивания ленты вокруг продольной оси противоположны, и при этом шаг скручивания ленты рассчитывают по формуле

Si - шаг навивки элемента дистаиционирования на оболочку твэла, определяемый из условия вибрационной прочности пучка твэлон в ТВС;

d - наружный диаметр оболочки твэла;

8— ширина ленты;

5. Твэл по п. 1 , отличающийся тем, что элемент дистанционирования выполнен из той же стали, что и оболочка твэла.