Тепловидільна збірка для дослідних реакторів

Реферат: Тепловидільна збірка для дослідних реакторів містить центральний несучий вузол у вигляді труби або стрижня з кінцевими елементами, тепловидільні елементи (твели) з трубчатою оболонкою, з якою з'єднані верхня і нижня заглушки з можливістю їх розміщення в нижній та верхній опорних решітках, які закріплені на несучому вузлі і мають отвори для циркуляції теплоносія, для розміщення твелів у верхній опорній решітці виконані заглиблення зі сторони бокової поверхні. Кожне із вищезгаданих заглиблень виконано у вигляді паза, що переходить у отвір. Поперечний розмір паза менший за поперечний розмір отвору, верхня заглушка твела складається послідовно вздовж його осі з трьох частин, перша частина, що з'єднана з його оболонкою, виконана з можливістю проходження через паз, наступна друга частина має вигляд вала, з можливістю розміщення її в отворі заглиблення, а наступна третя частина заглушки має поперечний розмір, який перевищує поперечний розмір отвору заглиблення. Довжина оболонки кожного твела разом з нижньою заглушкою менша, ніж відстань між опорними решітками. UA 103259 U (12) UA 103259 U UA 103259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до атомної енергетики, а саме до конструкцій тепловидільних збірок з паливом низького збагачення, призначених для використання в дослідних ядерних реакторах та підкритичних збірках. Відомі конструкції тепловидільних збірок [1], які використовуються для дослідних реакторів MTR (США), FRM (Германія), LIDO (Англія), MELUSINE (Італія), TRITON і MINERVE (Франція), CAPHIR (Швейцарія), IEAR (Бразилія) та інші. Такі збірки включають опорні та дистанціонуючі решітки, кінцеві деталі, тепловидільні елементи (твели), які виконані у вигляді пластин. Твели складаються з паливного сердечника у вигляді дисперсійної композиції, що представляє собою частинки із сплавів та хімічних з'єднань урану, таких як: U-(6…9)% Mo, U-Al, U-Al-Si, U-Al-Ni, UO2, U3O8, UAI3, USi2, U3Si, U2Mo в алюмінієвій матриці. Паливні сердечники розміщені всередині тонкостінної алюмінієвої оболонки, що, в більшості випадків, міцно зчеплена з сердечником. Такі тонкі пластинчасті твели мають велику поверхню теплообміну, але в роботі вони механічно недостатньо стійкі і тому внаслідок значних термічних, вібраційних та інших впливів можлива втрата їхньої працездатності. Крім того, в тепловидільних збірках з пластинчастими твелами спостерігається розділення теплоносія на декілька паралельних потоків, які не змішуються. Це помітно впливає на розподілення теплоносія між твелами в разі неточностей виготовлення пластин або деталей збірки, що може привести до значних перегрівів поверхонь твелів. Як наслідок, конструкція таких тепловидільних збірок має недостатню жорсткість. Більш жорстку конструкцію мають тепловидільні збірки з трубчастими твелами [2], які використовуються в російських дослідних реакторах басейнового типу, наприклад, реакторів IRT-M, WWR-M, IWW-M. Кожна така тепловидільна збірка складається із несучого зовнішнього твела квадратної, шестикутної, або круглої форми в поперечному перерізі, що виконує роль каркасу. До каркасу жорстко приєднані верхня та нижня кінцеві деталі та декілька внутрішніх концентрично розміщених трубчастих твелів, які фіксуються з зазором між собою. В залежності від типу реактора кількість трубчастих твелів в тепловидільній збірці може змінюватись від трьох до восьми. В поперечному перерізі активна частина трубчастого твела включає зовнішню і внутрішню оболонки, виготовлені із алюмінієвого сплаву, між якими розміщений дисперсійний паливний сердечник. З торцевих частин сердечник твела загерметизований заглушками кільцевої форми. Для зменшення теплового опору і зниження температури сердечника твела оболонка та сердечник мають між собою дифузійне зчеплення. В верхній та нижній частинах тепловидільної збірки до зовнішнього твела прикріплена верхня та нижня кінцеві деталі. Нижня кінцева деталь має хвостову частину, призначену для фіксації в плиті реактора. Такі тепловидільні збірки досить добре зарекомендували себе при використанні в високопоточних дослідних реакторах. Проте, вони мають складну технологію виготовлення, що базується на використанні досить потужного та складного пресового обладнання. Складно автоматизувати процес їх виготовлення. Треба враховувати також обмеження по максимальній величині об'ємної долі частинок паливної складової, яка не перевищує 30 % в сердечнику при використанні існуючої технології сумісного видавлювання. У ряді випадків дослідні реактори та підкритичні збірки мають нижчі теплові навантаження у порівнянні з високопоточними дослідними реакторами, що дозволяє використовувати більш прості та дешеві тепловидільні збірки для їх роботи при забезпеченні підвищеної надійності та ефективності. Відома тепловидільна збірка для дослідних реакторів [3], в якій використані більш прості у виготовленні твели стрижневої форми з трубчастими оболонками. Ця збірка вибрана як найближчий аналог. Вона включає центральний несучий вузол у вигляді труби з кінцевими деталями, на якому закріплені нижня та верхня опорні решітки. В верхній опорній решітці виконані заглиблення зі сторони бокової поверхні для закріплення твелів та стрижневих опор. Нижня опорна решітка має отвори для розміщення нижніх заглушок твелів і нижніх кінців стрижневих опор. В обох опорних решітках виконані отвори для циркуляції теплоносія. Сукупність опорних решіток та центрального несучого вузла утворюють каркас, в який встановлюються твели. Тепловидільні елементи складаються з трубчастої оболонки, загерметизованої верхньою та нижньою заглушками. Всередині оболонки розміщені паливні таблетки, що зафіксовані від переміщення фіксатором (пружиною). Верхня заглушка має кільцеву проточку для установлення твела в верхній опорній решітці, а нижня заглушка має циліндричну частину для фіксації в нижній опорній решітці. Стрижневі опори мають на обох кінцях різьби. Верхніми кінцями опори встановлюються, як і твели, в заглиблення верхньої решітки і закріплюються в них гайками зі 1 UA 103259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 шайбами, їх нижні кінці проходять через отвори нижньої решітки та також фіксуються гайками зі шайбами після установлення в опорних решітках твелів. Незважаючи на наявність стрижневих опор, конструкція запропонованої тепловидільної збірки має недостатню жорсткість каркасу. Це обумовлено тим, що центральна труба з'єднана з опорними решітками механічним чином. Тобто, вона установлюється своїми кінцями у відповідні отвори опорних решіток, а решітки фіксуються шляхом закручування гайок на різьбленнях стрижневих опор після установлення твелів. Така конструкція збірки є складною у збиранні та містить обмежену кількість твелів, оскільки частину місця в решітках займають стрижневі опори. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити тепловидільну збірку для забезпечення більш жорсткої конструкції каркаса збірки при спрощенні процесу її збирання, а також можливості розміщення більшої кількості твелів. Задача повинна вирішуватися шляхом особливого закріплення твелів в опорних решітках. Поставлена задача вирішується тим, що тепловидільна збірка дослідного реактора містить центральний несучий вузол у вигляді труби або стрижня з кінцевими елементами, твели з трубчастою оболонкою, з якою з'єднані верхня і нижня заглушки, розміщуються в нижній та верхній опорних решітках, опорні решітки закріплені на несучому вузлі та мають отвори для циркуляції теплоносія, для розміщення твелів у верхній опорній решітці виконані заглиблення зі сторони бокової поверхні. Згідно з корисною моделлю, кожне із вищезгаданих заглиблень виконано у вигляді паза, що переходить у отвір, причому поперечний розмір паза менший за поперечний розмір отвору. Верхня заглушка твела складається послідовно вздовж його осі з трьох частин. Перша частина, що з'єднана з його оболонкою, виконана з можливістю проходження через паз. Наступна друга частина має вигляд вала, з можливістю розміщення її в отворі заглиблення. А наступна третя частина заглушки має поперечний розмір, який перевищує поперечний розмір отвору заглиблення. Довжина оболонки кожного твела разом з нижньою заглушкою менша, ніж відстань між опорними решітками. В цій тепловидільній збірці нижня та верхня опорні решітки можуть бути приварені до кінцевих елементів несучого вузла. Для проходження через пази в верхній опорній решітці перша частина верхньої заглушки твела може бути у вигляді вала, на якому виконані лиски, з поперечним розміром між ними, меншим від ширини паза заглиблення верхньої опорної решітки. Вищезазначені відмітні конструктивні особливості забезпечують зручну установку твелів у каркас без розбирання збірки, тобто без переміщення решіток в процесі збирання та їх закріплення після установки твелів, на відміну від найближчого аналога. Конструкція верхньої заглушки твела дозволяє вводити кожний твел зі сторони її бокової поверхні у верхню опорну решітку першою частиною заглушки через паз в отвір заглиблення. Нижня заглушка твела при цьому вільно проходить над нижньою решіткою. При опусканні твела нижня заглушка входить у відповідний отвір нижньої решітки, а верхня заглушка своєю другою частиною, входить в отвір заглиблення, що має розмір близький до розміру цієї частини заглушки і фіксується в ньому по щільній посадці. При цьому третя частина верхньої заглушки опирається на поверхню верхньої решітки. Зварювання нижньої та верхньої опорних решіток з центральним несучим вузлом підвищує жорсткість та надійність роботи каркаса тепловидільної збірки. Виконання на боковій поверхні першої частини верхньої заглушки твела лисок з відстанню між ними, меншою ніж ширина паза заглиблення верхньої решітки, дозволяє збільшити поперечний перетин цієї частини заглушки та, відповідно, підвищити її міцність. На фіг. 1 зображена запропонована тепловидільна збірка в зборі. На фіг. 2 зображений твел. На фіг. 3 наведені варіанти верхньої опорної решітки шестигранної та круглої форми. Тепловидільна збірка (див. фіг. 1) містить верхню 1 та нижню 2 опорні решітки, центральний несучий вузол у вигляді труби 3, перехідний елемент 4, верхній кінцевий елемент 5, патрубок 6, нижній кінцевий елемент 7. Труба 3 з однієї сторони з'єднана з перехідним елементом 4, на якому закріплена верхня опорна решітка 1 та верхній кінцевий елемент 5. На протилежній стороні ця труба 3 з'єднана з патрубком 6, на якому закріплені нижній кінцевий елемент 7 та нижня опорна решітка 2. Наведена конструкція утворює жорсткий каркас, в який встановлено шість твелів 8. Усі деталі каркаса тепловидільної збірки виконані із цирконієвого сплаву Е110, або сплаву алюмінію. У випадку, коли деталі каркасу виготовлені із цирконієвого сплаву, а нижній кінцевий елемент 7 із алюмінієвого сплаву, тоді нижній кінцевий елемент 7 кріпиться до патрубка 6 за рахунок різьбового з'єднання та фіксується від обертання шплінтом або штифтом 9. Тепловидільні елементи (фіг. 2) містять оболонку 10, верхню 11 та нижню 12 заглушки, що приєднані зварюванням до оболонки 10. Усередині оболонки розміщений стовп паливних таблеток 13, зафіксований від переміщення зі сторони верхньої заглушки 11 фіксатором 14. 2 UA 103259 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Особливістю конструкції тепловидільної збірки є те, що у верхній опорній решітці зі сторони бокової поверхні виконані заглиблення у вигляді пазів 15 (фіг. 3), що переходять в отвори 16 (фіг. 3) для установлення тепловидільних елементів 8 (фіг. 1). Відповідно верхня заглушка 11 тепловидільних елементів 8 (фіг. 2) складається послідовно з трьох частин, перша частина 17, що з'єднана з його оболонкою 10 (фіг. 2), виконана з можливістю проходження через паз 15 (фіг. 3), друга частина 18 (фіг. 2) має вигляд валу, з можливістю розміщення її в отворі заглиблення 16 (фіг. 3), а третя частина 19 (фіг. 2) заглушки має поперечний розмір, який перевищує поперечний розмір отвору заглиблення 16. Процес збирання запропонованої тепловидільної збірки. При збиранні тепловидільної збірки готують тепловидільні елементи, які включають оболонку 10, верхню заглушку 11 з першою її частиною 17 і другою частиною 18 та нижню заглушку 12, стовп паливних таблеток 13, що зафіксований від переміщення фіксатором 14, та комплектуючі деталі, які всі крім нижнього кінцевого елемента 7 виготовляються із сплаву цирконію. Далі здійснюють вхідний контроль деталей (фіг. 1). Збирають верхню опорну решітку 1 з перехідним елементом 4, нижню опорну решітку 2 із патрубком 6 та з'єднують зібрані деталі зварюванням. Потім з'єднують перехідний елемент 4 у комплекті з верхньою решіткою 1 з центральною несучою трубою 3 зварюванням, після чого приєднують верхній кінцевий елемент 5 до перехідного елемента 4. Збирають патрубок 6, укомплектований нижньою решіткою 2, з центральною несучою трубою 3, орієнтуючи на розміточній плиті нижню решітку 2 в одній площині з верхньою решіткою 1 для співпадіння отворів для твелів 8. Потім приєднують зварюванням патрубок 6 до труби 3 та приєднують механічним зчепленням до другого кінця патрубка 6 нижній кінцевий елемент 7, виконаний зі сплаву алюмінію, та фіксують його від обертання шплінтом 9. Відстань між решітками каркасу становить при цьому 5811 мм (фіг. 1). В зібраний таким чином каркас тепловидільної збірки встановлюють твели 8 (фіг. 1) через паз 15 (фіг. 3) у верхній решітці 1 та фіксують тепловидільний елемент 8 в отворі верхньої решітки 16 (фіг. 3). Це забезпечується завдяки тому, що довжина оболонки 10 кожного твела сумісно з нижньою заглушкою 12 дорівнює 5771 мм (фіг. 2) і менша за відстань між решітками. Потім, переміщують твел 8 (фіг. 1) вниз до упору третьої частини 19 (фіг. 2) верхньої заглушки 5 (фіг. 1) в поверхню решітки. При цьому кінець нижньої заглушки 12 (фіг. 2) твела входить у відповідний отвір нижньої решітки 2 (фіг. 1). При необхідності твели фіксують від переміщення шляхом установлення в отвори нижньої заглушки, виконаних перпендикулярно до її осі, дроту або шплінта за поверхнею нижньої решітки зі сторони нижньої кінцевої деталі. Розроблена конструкція збірки дозволяє встановлювати твели по одному в уже готовий каркас і, відповідно, замінювати твели, в разі необхідності, на інші без розбирання всієї конструкції. Як показали експерименти наведена конструкція тепловидільної збірки забезпечує необхідну жорсткість каркасу збірки, зручність, значну економію часу при її збиранні, а також можливість розміщення більшої кількості твелів. Запропоновану збірку після процесу збирання та контролю її якості розміщують в активній зоні підкритичної установки, що керується потоком електронів, або протонів, які генеруються прискорювачем. Активна зона розміщена в металевому (наприклад, зі сплаву алюмінію) корпусі, заповненому водним теплоносієм. Потік електронів (або протонів) від прискорювача подається на мішень, що включає уранові, або вольфрамові пластини. Під дією потоку згаданих частинок в мішені генерується потік нейтронів, більша частина якого у водному теплоносієві сповільнюється до енергій теплового спектра. Під дією теплових нейтронів відбувається поділ 235 ядер U та вивільнення енергії і випромінювання додаткових ядерних частинок. Використання тепловидільних збірок розробленої конструкції дозволяє не лише генерувати додаткові потоки нейтронів та інших ядерних частинок, а також вивчати поведінку перспективних паливних та конструкційних матеріалів в умовах роботи в реакторі, напрацьовувати ізотопи для медичних цілей, створювати напівпровідники для електронної промисловості. Джерела інформації: 1. Самойлов А.Г., Каштанов А.И., Волков В.С. Дисперсионные тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. - М.: Атомиздат, 1969. - 584 с. 2. Гончаров В.В., и др. "Труды Второй Международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Женева, 1958". - Т. 2. - М.: Атомиздат, 1959. - с. 243; В.В. Гончаров и др. Доклад № 323 (СССР), представленный на третью международную конференцию по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1964). 3. Патент США № US 7302028 В2, від 27.11.2007 р. (найближчий аналог). 60 3 UA 103259 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Тепловидільна збірка для дослідних реакторів, що містить центральний несучий вузол у вигляді труби або стрижня з кінцевими елементами, тепловидільні елементи (твели) з трубчатою оболонкою, з якою з'єднані верхня і нижня заглушки з можливістю їх розміщення в нижній та верхній опорних решітках, які закріплені на несучому вузлі і мають отвори для циркуляції теплоносія, для розміщення твелів у верхній опорній решітці виконані заглиблення зі сторони бокової поверхні, яка відрізняється тим, що кожне із вищезгаданих заглиблень виконано у вигляді паза, що переходить у отвір, причому поперечний розмір паза менший за поперечний розмір отвору, верхня заглушка твела складається послідовно вздовж його осі з трьох частин, перша частина, що з'єднана з його оболонкою, виконана з можливістю проходження через паз, наступна друга частина має вигляд вала, з можливістю розміщення її в отворі заглиблення, а наступна третя частина заглушки має поперечний розмір, який перевищує поперечний розмір отвору заглиблення, довжина оболонки кожного твела разом з нижньою заглушкою менша, ніж відстань між опорними решітками. 2. Тепловидільна збірка за п. 1, яка відрізняється тим, що нижня та верхня опорні решітки приварені до кінцевих елементів несучого вузла. 3. Тепловидільна збірка за п. 1 або п. 2, яка відрізняється тим, що перша частина верхньої заглушки твела виконана у вигляді вала, на якому виконані лиски, з відстанню між ними, меншою, ніж ширина паза заглиблення верхньої опорної решітки. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4