Тепловидільна зборка ядерного реактора

1. Тепловидільна зборка ядерного реактора, що містить головну і хвостову частини, з'єднані напрямними каналами, розміщеними в комірках дистанціювальних ґрат, розташованих на відстані одна від одної за довжиною зборки, яка відрізняється тим, що напрямні канали жорстко з'єднані принаймні з торцевими дистанціювальними ґратами, а висота h дистанціювальних ґрат і товщина d стінок комірок дистанціювальних ґрат вибрані таким чином, що їхні чисельні значення задовольняють умові: 3 80064 4 ця дистанціювальних ґрат на відстані не більше 0,15h. 7. Тепловидільна зборка за п.1, яка відрізняється тим, що жорстке з'єднання напрямних каналів з дистанціювальними ґратами виконане у вигляді точкового зварювання. 8. Тепловидільна зборка за п.1, яка відрізняється тим, що кількість напрямних каналів дорівнює 18. 9. Тепловидільна зборка за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняє ться тим, що діаметр напрямних каналів вибраний від 12мм до 14мм. Винахід належить до ядерної техніки і стосується конструкції тепловидільних зборок водоводяних ядерних енергетичних реакторів, особливо типу ВВЕР-1000, зокрема - конструкції елементів жорсткого каркаса. Відома тепловидільна зборка, що містить пучок тепловидільних елементів, розташованих в комірках дистанціювальних грат [Крамеров А.Я., Вопросы конструирования ядерных реакторов, М., Атомиздат, 1971, с.198, рис.7.2.2.]. Жорсткість і міцність даної тепловидільної зборки забезпечується наявністю шестигранного чохла, який з'єднує головну і хвостову частини зборки. Однак, наявність чохла вносить паразитний захват нейтронів в активній зоні і збільшує лінійне теплове навантаження тепловидільних елементів за рахунок змушеного збільшення кроку між тепловидільними зборками. Відома тепловидільна зборка ядерного реактора, яка містить гексагональний пучок тепловидільних елементів, розміщений в комірках, розташованих по довжині зборки дистанціювальних грат. [Крамеров А.Я., Вопросы конструирования ядерных реакторов, М., Атомиздат. 1971, с.204, рис.7.1.116.]. Головна і хвостова частини з'єднані напрямними каналами, у яких переміщаються стрижні, що включають матеріал, який поглинає нейтрони. Чохол у даній тепловидільній зборці відсутній, що дозволяє зменшити зазор між сусідніми тепловидільними зборками. В результаті знижені нерівномірність енерговиділення та лінійні навантаження тепловидільних елементів. Відсутність чо хла знижує паразитний захват нейтронів і зменшує витрату матеріалу. Але використання зборки на енергоблоках з реакторами ВВЕР-1000 показало, що після експлуатації протягом трьох років має місце скривлення напрямних каналів, обумовлене механічним навантаженням з боку головної частини, підтиснутої для запобігання спливання тепловидільної зборки під дією потоку теплоносія. Крім того, в процесі експлуатації реактора з'являється термомеханічне навантаження конструкції зборки в цілому за рахунок деформацій тепловидільних елементів, що передаються через дистанціювальні грати, які також зазнають деформування. Основну роль в розвитку скривлень тепловидільних зборок грає релаксація пружних натягів у дистанціювальних гратах, створених при розміщенні в гратах тепловидільних елементів та напрямних каналів. Значне зменшення згинальної жорсткості тепловидільної зборки принципово змінює характер її поведінки в активній зоні при тривалій експлуатації: виникають вигини тепловидільної зборки скла дної просторової форми з відхиленнями осей зборки від вихідного положення на величину, що досягає гранично дозволеної, виходячи з геометричних можливостей упакування зборок в активній зоні з урахуванням конструктивних складальних зазорів. При цьому можлива поява великих зазорів між периферійними тепловидільними елементами сусідніх скривлених тепловидільних зборок, що порушує теплотехнічну надійність цих тепловидільних елементів внаслідок сплеску в них енерговиділення. Слід також зазначити, що для гексагональної конструкції тепловидільних зборок, зокрема, застосовуваних на енергоблоках з реакторами ВВЕР-1000, спостерігається кутова анізотропія згинальної жорсткості (згинальна жорсткість у напрямку від «кута до кута» не дорівнює згинальній жорсткості в напрямку «від грані до грані»), при цьому згинальна жорсткість зборки в тангенціальному напрямку (по відношенню до центра активної зони) менше її згинальної жорсткості в радіальному напрямку. Більша свобода переміщення в тангенціальному напрямку викликає переважно вихороподібне закручення активних зон і, отже, максимальне скривлення тепловидільних зборок в робочих умовах. Є експериментальні дані про скривлення тепловидільних зборок на величину близько 20мм. Настільки значні скривлення тепловидільних зборок порушують вихідну геометрію активної зони, приводять до змін енерговиділення і теплогідравлічних характеристик активної зони. Для усунення вказаних негативних факторів тепловидільної зборки та забезпечення її стабільної поведінки, що виражається у виключенні надмірного скривлення зборки в робочих умовах при експлуатації протягом 4-5 років, необхідно: - забезпечити гарантоване значення згинальної жорсткості тепловидільних зборок при поздовжньому вигині шляхом введення поздовжніх елементів, що не проковзують відносно дистанціювальних ґрат протягом усього терміну експлуатації; - забезпечити гарантовано більш високе значення згинальної жорсткості тепловидільних зборок при поперечному вигині шляхом зменшення в робочих умовах індивідуального вигину стрижнів або інших поздовжніх елементів у прольотах між дистанціювальними гратами при одночасному підвищенні жорсткості на поворот стрижнів або поздовжніх елементів в комірках дистанціювальних ґрат. Переліченим умовам задовольняє найбільш близька до описуваної за технічною суттю та результатом, що досягається, тепловидільна зборка ядерного реактора, яка містить головну і хвостову 5 80064 частини, з'єднані напрямними каналами, розміщеними в комірках дистанціювальних ґрат, які розташовані на відстані одна від одної по довжині зборки [RU 2093906, G21С 3/30, 20.10.97.]. В конструкцію відомої тепловидільної зборки введені додаткові елементи жорсткості - поздовжні кутики, що проходять від нижніх опорних ґрат до верхніх дистанціювальних ґрат і приварені ззовні по шести кутах до кожних дистанціювальних ґрат. Жорстке з'єднання кутиків з дистанціювальними гратами забезпечує різке підвищення жорсткості тепловидільної зборки на поздовжній вигин незалежно від релаксації пружних натягів у стрижневій системі тепловидільної зборки. Просторова форма кутиків має досить високе значення власних моментів інерції і забезпечує тим самим достатню жорсткість конструкції при поперечному вигині тепловидільної зборки. Крім того, відсутність можливості повороту кутиків відносно осі дистанціювальних грат у місцях їхнього взаємного скріплення додатково сприяє підвищенню жорсткості тепловидільної зборки. У той же час відома тепловидільна зборка має такі недоліки: підвищення металоємності конструкції, що приводить до зниження нейтронно-фізичних характеристик активної зони; погіршення тепловідведення від кутових та периферійних тепловидільних елементів; ускладнення технології виготовлення тепловидільної зборки за рахунок введення додаткових кутови х елементів, збільшення обсягу зварювальних робіт і контролю; зменшення можливостей візуального контролю на етапах виготовлення і при проведенні огляду в період експлуатації. Задачею даного винаходу є розробка і створення тепловидільної зборки ядерного реактора, яка має підвищену стабільність при експлуатації в паливних циклах підвищеної тривалості без накопичення неприпустимих вигинів при одночасному зниженні металоємності. В результаті рішення даної задачі можливе одержання нових те хнічних результатів, які полягають в тому, що підвищується жорсткість тепловидільної зборки при поперечному і поздовжньому вигинах, збільшується кутова жорсткість у парах «напрямний канал - комірка дистанціювальних ґрат», зменшується власний вигин тепловидільної зборки в прольотах між дистанціювальними гратами і вільний вигин тепловидільної зборки в неоднорідних нейтронних та температурних полях за рахунок зменшеної схильності сплаву Е635 (Э635) до радіаційного росту. Дані технічні результати досягаються тим, що в тепловидільній зборці ядерного реактора, що містить головну і хвостову частини, з'єднані напрямними каналами, розміщеними в комірках дистанціювальних ґрат, які розташовані на відстані одна від одної по довжині зборки, напрямні канали жорстко з'єднані, принаймні, з торцевими дистанціювальними гратами, а висота h дистанціювальних ґрат і товщина 5 стінок комірок дистанціювальних ґрат вибрані таким чином, що їхні чисельні значення задовольняють умові: 6 h - висота дистанціювальних грат, мм; d - товщина елементів, що утворюють комірки дистанціювальних грат, мм, причому для 8-й ґрат С0 = 39,17, А0 = 5,563, А1 = -3,482, А2 = 1,332, В0 = 2,245, В1 = -4,500, В2 = 6,072, В3 = -3,128, В4 = 0,620, для 9-й ґрат С 0 = 22,74, А0 = 4,988, А1 = 2,985, А2 = 1,119, В0 = 2,225, В1 = -4,005, В2 = 5,145, В3 = -2,595, В4 = -1,113, для 10-и грат С 0 = 13,06, А0 = 4,481, А1 = -2,568, А2 = 0,932, В0 = 2,203, В1 = -3,568, В2 = 4,324, В3 = -2,127, В4 = 1,510, для 11-и грат С 0 = 8,84, А0 = 4,138, А1 = 2,281, А2 = 0,811, В0 = 2,170, В1 = -3,250, В2 = 3,752, В3 = -1,814, В4 = -1,675, для 12-и грат С 0 = 6,90, А0 = 3,895, А1 = -2,088, А2 = 0,732, В0 = 2,126, В1 = -3,042, В2 = 3,400, В3 = -1,623, В4 = -1,695, для 13-й грат С 0 = 5,73, А0 = 3,697, А1 = -1,937, А2 = 0,667, В0 = 2,068, В1 = 2,910, В2 = 3,199, В3 = 1,505, В4 = -1,651, для 14-и грат С0 = 4,70, А0 = 3,526, А1 = -1,813, А2 = 0,614, В0 = 2,003, В1 = 2,815, В2 = 3,062, В3 = -1,422, В4 = -1,575, для 15-и грат С0 = 3,78, А0 = 3,356, А1 = -1,684, А2 = 0,560, В0 = 1,940, В1 = -2,722, В2 = 2,928, В3 = -1,336, В4 = -1,490. Відмінною ознакою даного винаходу є жорстке з'єднання напрямних каналів, принаймні, з торцевими, але краще - з усіма дистанціювальними гратами, що виключає проковзування напрямних каналів по відношенню до комірок цих грат. У цьому випадку загальна згинальна жорсткість тепловидільної зборки при опроміненні збільшується, оскільки з'являється постійна складова згинальної жорсткості зборки, що дорівнює жорсткості зв'язаного каркаса напрямних каналів. При цьому тепловидільні елементи можуть перестати відігравати роль зв'язаної багатострижневої системи і, при їхньому проковзуванні в комірках дистанціювальних ґрат, вони будуть робити внесок в загальну згинальну жорсткість касети не як зв'язаний багатострижневий пучок, а як множина незалежних стрижнів, що набагато менше по величині. Підвищити жорсткість тепловидільної зборки в цілому і забезпечити стабільність тепловидільної зборки, при якій зазори, що утворюються між зборками, не перевищують величини, гранично можливої з погляду забезпечення припустимої енергонапруженості тепловидільних елементів і теплотехнічної надійності активної зони, можна лише при виконанні умови: 7 80064 Крім того, вищенаведений розрахунковоекспериментальний вираз погоджує кількість дистанціювальних ґрат з їхніми характерними параметрами, при яких напруги, що виникають у дистанціювальних гратах і обумовлені виникаючими при вигині осьовими силами в місцях кріплення напрямних каналів, не перевищують припустимої величини. Доцільно виготовляти напрямні канали зі сплаву Е635 (Э635), а дистанціювальні грати - зі сплаву Е110 (Э110) або, краще, зі сплаву Е635. Напрямні канали можуть бути жорстко з'єднані, принаймні, з торцевими дистанціювальними гратами безпосередньо або за допомогою проміжних втулок, розміщених у відповідних комірках дистанціювальних ґрат. З'єднання напрямних каналів з дистанціювальними гратами, краще, виконують симетрично по відношенню до поздовжньої осі напрямного каналу з боку обох торців дистанціювальних ґрат на відстані не більше 0,15h від торця дистанціювальних ґрат. Жорстке з'єднання напрямних каналів, принаймні, з торцевими дистанціювальними гратами може бути виконане у вигляді точкового зварювання. Найбільш раціонально використовувати 18 напрямних каналів, діаметр яких становить від 12мм до 14мм. На Фіг.1 наведений загальний вид тепловидільної зборки, на Фіг.2 показаний варіант вузла А на Фіг.1 у розрізі, на Фіг.3 показаний другий варіант вузла А на Фіг.1 у розрізі. Тепловидільна зборка ядерного реактора містить головну частину 1 і хвостову частину 2, з'єднані напрямними каналами 3. Напрямні канали 3 розміщені в комірках 4 дистанціювальних ґрат 5, які розташовані на відстані одна від одної по довжині зборки. Напрямні канали, як правило, у кількості 18-ти штук, проходять через комірки, симетрично розташовані навколо центрального каналу 6. В інших комірках дистанціювальних ґрат 5 розміщені тепловидільні елементи 7. Дистанціювальні грати 5 разом з напрямними каналами 3 утворюють жорсткий каркас тепловидільної зборки за рахунок того, що напрямні канали 3 жорстко з'єднані з торцевими дистанціювальними гратами або, краще, з усіма дистанціювальними гратами 5. Висоту h дистанціювальних ґрат і товщину 8 стінок комірок дистанціювальних ґрат вибирають таким чином, що їхні чисельні значення задовольняють умові: h - висота дистанціювальних грат, мм; 8 d - товщина елементів, що утворюють комірки дистанціювальних грат, мм, причому для 8-й ґрат С0 = 39,17, А0 = 5,563, А1 = -3,482, А2 = 1,332, В0 = 2,245, В1 = -4,500, В2 = 6,072, В3 = -3,128, В4 = 0,620, для 9-й ґрат С 0 = 22,74, А0 = 4,988, А1 = 2,985, А2 = 1,119, В0 = 2,225, В1 = -4,005, В2 = 5,145, В3 = -2,595, В4 = -1,113, для 10-и грат С 0= 13,06, А0 = 4,481, А1 = -2,568, А2 = 0,932, В0 = 2,203, В1 =-3,568, В2 = 4,324, В3 = -2,127, В4 = 1,510, для 11-й ґрат С 0 = 8,84, А0 = 4,138, А1 = 2,281, А2 = 0,811, В0 = 2,170, В1 = -3,250, В2 = 3,752, В3 = -1,814, В4 = -1,675, для 12-и ґрат С0 = 6,90, А0 = 3,895, А1 = -2,088, А2 = 0,732, В0 = 2,126, В1 = -3,042, В2 = 3,400, В3 = -1,623, В4 = -1,695, для 13-й ґрат С 0 = 5,73, А0 = 3,697, А1 = -1,937, А2 = 0,667, В0 = 2,068, Вт = 2,910, В2 = 3,199, В3 = 1,505, В4 = -1,651, для 14-и ґрат С0 = 4,70, А0 = 3,526, А1 = -1,813, А2 = 0,614, В0 = 2,003, В1 = 2,815, В2 = 3,062, В3 = -1,422, В4 = -1,575, для 15-и ґрат С0 = 3,78, А0 = 3,356, А1 = -1,684, А2 = 0,560, В0 = 1,940, В1 = -2,722, В2 = 2,928, В3 = -1,336, В4 = -1,490. Форма комірок може бути виконана будь-яким відомим способом. Дистанціювальні грати 5 і напрямні канали 3, краще, виконують із цирконієвого сплаву Е635 (Э635); можливо сполучати сплави Е635 і Е110 (Э110): НК зі сплаву Е635 і ДР зі сплаву Е110. Напрямні канали 3 жорстко з'єднані з дистанціювальними гратами за допомогою проміжних втулок 8, розміщених у відповідних комірках дистанціювальних ґрат. Жорстке з'єднання 9 напрямних каналів з дистанціювальними гратами здійснюють точковим зварюванням, наприклад, електроконтактним зварюванням. Жорстке з'єднання напрямних каналів з дистанціювальними гратами роблять симетрично по відношенню до поздовжньої осі напрямного каналу з боку обох торців дистанціювальних ґрат на відстані не більше 0,15h від торця дистанціювальних грат. У цьому випадку істотно підвищується згинальна міцність напрямних каналів. Тепловидільна зборка відповідно до даного винаходу є промислово застосовною і найбільш успішно може бути використана у водо-водяних ядерних енергетичних реакторах, особливо, типу ВВЕР-1000, зокрема, при створенні конструкції елементів жорсткого каркаса зборки. Тепловидільна зборка за даним винаходом може бути виготовлена на будь-якому устатк уванні, призначеному для цих цілей, і не вимагає створення принципово нового оснащення. 9 Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 80064 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601