RU113055U1

RU113055U1 - REMOTE LATTICE OF THE HEAT FUEL ASSEMBLY OF A HIGH-ENERGY NUCLEAR REACTOR

Info

Publication number: RU113055U1
Application number: RU2011124452/07U
Authority: RU
Inventors: Евгений Константинович Дьяков; Рафаэль Хайбуллович Жалилов; Александр Николаевич Конотопов; Алексей Петрович Лысов; Шамиль Талибулович Тухватулин
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-01-27

Abstract

1. Дистанционирующая решетка тепловыделяющей сборки (ТВС) высокоэнергетического ядерного реактора с треугольной схемой расположения тепловыделяющих элементов в виде набора соединенных между собой каналов для размещения тепловыделяющих элементов, продольные оси которых параллельны оси ТВС, отличающаяся тем, что каналы выполнены в виде многозаходных свободных от пересечения друг с другом пространственных цилиндрических спиралей, снабженных на торцах концевыми элементами, расположенными в одной плоскости и жестко соединенными между собой и с формирующими канал спиралями с образованием трубной доски, при этом внутренний диаметр концевых элементов равен наружному диаметру тепловыделяющих элементов. ! 2. Дистанционирующая решетка ТВС по п.1, отличающаяся тем, что спирали выполнены из прутка с сечением круглого профиля. ! 3. Дистанционирующая решетка ТВС по п.1, отличающаяся тем, что спирали выполнены из прутка с сечением прямоугольного профиля ! 4. Дистанционирующая решетка ТВС по п.3, отличающаяся тем, что на поверхности спиралей выполнены траншейные лунки, ориентированные внутрь канала. ! 5. Дистанционирующая решетка ТВС по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что концевые элементы, образующие трубную доску, выполнены в виде колец. 1. Spacer lattice of a fuel assembly (FA) of a high-energy nuclear reactor with a triangular arrangement of fuel elements in the form of a set of interconnected channels for placing fuel elements, the longitudinal axes of which are parallel to the axis of the fuel assembly, characterized in that the channels are made in the form of multi-pass, free from crossing each other. with another spatial cylindrical spirals equipped at the ends with end elements located in the same plane and rigidly connected to each other and to the spirals forming the channel to form a tube sheet, while the inner diameter of the end elements is equal to the outer diameter of the fuel elements. ! 2. The fuel assembly spacer according to claim 1, characterized in that the spirals are made of a rod with a circular cross-section. ! 3. The fuel assembly spacer according to claim 1, characterized in that the spirals are made of a bar with a rectangular section! 4. The fuel assembly spacer according to claim 3, characterized in that trench holes are made on the surface of the spirals, oriented towards the inside of the channel. ! 5. Fuel assembly spacer according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the end elements forming the tube sheet are made in the form of rings.

Description

Полезная модель относится к атомной технике и может быть использована при изготовлении тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов, особенно для реакторов с большой удельной мощностью.The utility model relates to nuclear engineering and can be used in the manufacture of fuel assemblies (FAs) of nuclear reactors, especially for reactors with high specific power.

Известна ТВС ядерного реактора (патент РФ №2262754, МПК G21C 3/344, опубл. 10.05.2005 г.). Тепловыделяющая сборка представляет собой каркас в виде центральной трубы, на которой закреплены концевые решетки и многоярусная дистанционирующая система. В такой сборке все твэлы фиксируются в ячейках дистанционирующих решеток, которые расположены либо на одинаковых по высоте уровнях, либо расположены уступом. При такой конструкции ТВС твэл фиксируется всего лишь в нескольких точках по всей длине, и при интенсивном движении теплоносителя возможны касания твэлов и их прожег. Исправить этот недостаток можно увеличением количества дистанционирующих решеток. Однако это ведет к затеснению потока теплоносителя, что не способствует интенсивному теплообмену, вызывает повышенные напряжения в стенках ячеек и приводит к ускоренному их разрушениюKnown fuel assemblies of a nuclear reactor (RF patent No. 2262754, IPC G21C 3/344, publ. 05/10/2005). The fuel assembly is a frame in the form of a central pipe, on which end grids and a multi-tier spacing system are fixed. In such an assembly, all fuel rods are fixed in the cells of the spacer grids, which are located either at the same level in height or are located on a ledge. With this design, fuel assemblies are fixed at only a few points along the entire length, and with intense movement of the coolant, the fuel elements can touch and burn. This shortcoming can be corrected by increasing the number of spacing grids. However, this leads to the crowding of the coolant flow, which does not promote intensive heat transfer, causes increased stresses in the cell walls and leads to their accelerated destruction

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция дистанционирующей решетки для ТВС энергетических ядерных реакторов, состоящая из ячеек (каналов) с треугольной схемой расположения стержней (патент РФ №2389091, МПК G21C 3/344, опубл. 10.05.2010 г.). Крайние части каждой ячейки соединены между собой, образуя поле ячеек. Каналы имеют форму трубок с гранями, образующими винтообразную поверхность, продольные оси которых параллельны оси ТВС и распложены в узлах треугольной сетки, и которые примыкают друг к другу гранями. Образованная таким образом винтообразная поверхность каналов при наличии потока теплоносителя приводит к образованию круговых поперечных течений вокруг твэла, установленного в канал, что способствует перемешиванию и соответственно выравниванию теплосодержаний и температур однофазного теплоносителя в проходном сечении ТВС. Потоку теплоносителя, попадающему в каналы, образованные структурой решетки, придается так же поперечная составляющая скорости, из-за чего образуются протяженные поперечные течения вдоль рядов твэлов, посредством которых создается эффективное перемешивание теплоносителя.The closest in technical essence and the achieved result is the design of the spacer lattice for fuel assemblies of nuclear power reactors, consisting of cells (channels) with a triangular arrangement of rods (RF patent No. 2389091, IPC G21C 3/344, published on 05/10/2010). The extreme parts of each cell are interconnected, forming a field of cells. The channels are in the form of tubes with faces forming a helical surface, the longitudinal axes of which are parallel to the axis of the fuel assemblies and are located in nodes of a triangular grid, and which adjoin each other with faces. The helical surface of the channels thus formed in the presence of a coolant flow leads to the formation of circular transverse flows around a fuel rod installed in the channel, which helps to mix and, accordingly, equalize the heat contents and temperatures of a single-phase coolant in the fuel supply passage. The heat carrier flow entering the channels formed by the lattice structure is also given the transverse velocity component, which results in the formation of extended transverse flows along the rows of fuel rods, through which efficient mixing of the heat carrier is created.

Недостаткам такой конструкции - прототипа является недостаточная эксплуатационная надежность ТВС. Она обусловлена отсутствием надежной фиксации твэла в канале и затрудненным съемом тепла с поверхности твэла. Ненадежная фиксация твэлов вызвана тем, что у граней каналов отсутствует возможность упругой деформации. Что касается теплосъема. то в дайной конструкции съем тепла с твэла осуществляет только часть теплоносителя, которая находится внутри трубок, а другая часть охлаждает сами трубки.The disadvantages of this design prototype is the lack of operational reliability of the fuel assembly. It is due to the lack of reliable fixation of the fuel rod in the channel and the difficult removal of heat from the surface of the fuel rod. Unreliable fixation of fuel rods is caused by the fact that the edges of the channels lack the possibility of elastic deformation. As for heat removal. then in the daytime design, heat is removed from the fuel rod only by a part of the coolant inside the tubes, and the other part cools the tubes themselves.

Предлагаемая конструкция дистанционирующей решетки ТВС энергетических ядерных реакторов свободна от выше перечисленных недостатков.The proposed design of the spacer grid of fuel assemblies of nuclear power reactors is free from the above disadvantages.

Технической задачей на решение, которой направлена полезная модель, является повышение эксплуатационной надежности ТВС ядерного реактора за счет улучшения качества крепления твэлов в сборке и формирования оптимальных газодинамических или гидравлических характеристик движения теплоносителя в активной зоне реактора.The technical task to solve the utility model is to increase the operational reliability of the fuel assemblies of a nuclear reactor by improving the quality of the fuel rods in the assembly and the formation of optimal gas-dynamic or hydraulic motion characteristics of the coolant in the reactor core.

Поставленная задача решается за счет того, что в дистанционирующей решетке тепловыделяющей сборки (ТВС) ядерного реактора с треугольной схемой расположения тепловыделяющих элементов, в виде набора соединенных между собой каналов для размещения тепловыделяющих элементов, продольные оси которых параллельны оси ТВС, каналы выполнены в виде многозаходных свободных от пересечения друг с другом пространственных цилиндрических спиралей, снабженных на торцах концевыми элементами, расположенными в одной плоскости и жестко соединенными между собой и с формирующими канал спиралями с образованием трубной доски, при этом внутренний диаметр концевых элементов равен наружному диаметру тепловыделяющих элементов.The problem is solved due to the fact that in the spacer grid of the fuel assembly (FA) of a nuclear reactor with a triangular arrangement of fuel elements, in the form of a set of interconnected channels for placing fuel elements, the longitudinal axes of which are parallel to the axis of the fuel assembly, the channels are made in the form of multi-input free from the intersection with each other of spatial cylindrical spirals, provided at the ends with end elements located in the same plane and rigidly connected between with spirals forming a channel with the formation of a tube plate, while the inner diameter of the end elements is equal to the outer diameter of the fuel elements.

Спирали могут быть выполнены из прутков с сечением круглого или прямоугольного профиля.Spirals can be made of rods with a section of a round or rectangular profile.

При этом на поверхности спиралей с прямоугольным профилем сечения прутка могут быть выполнены траншейные лунки, ориентированные внутрь канала.Moreover, trench holes oriented inside the channel can be made on the surface of spirals with a rectangular profile of the bar section.

Наличие искусственных шероховатостей (траншейных лунок) на поверхности спиралей позволяет интенсифицировать теплообмен, поскольку обтекание поверхности с углублениями двойной кривизны приводит к возникновению и самоорганизации вторичных смерчеобразных струй.The presence of artificial roughness (trench holes) on the surface of the spirals makes it possible to intensify heat transfer, since the flow around a surface with double curvature recesses leads to the emergence and self-organization of secondary tornado-like jets.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.The essence of the utility model is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлен фрагмент канала дистанционирующей решетки для ТВС.Figure 1 presents a fragment of the channel spacer grid for fuel assemblies.

На фиг.2 представлена фотография части макета ТВС на 7 твэлов.Figure 2 presents a photograph of part of the layout of the fuel assembly for 7 fuel rods.

На фиг.3 представлен фрагмент образующей канала дистанционирующий решетки с лунками.Figure 3 presents a fragment of the forming channel spacer lattice with holes.

На фиг.4 представлена фотография опытного образца дистанционирующей решетки.Figure 4 presents a photograph of a prototype spacer grid.

Конструкция дистанционирующей решетки ТВС состоит из набора одинаковых унифицированных каналов для размещения твэлов. В свою очередь каждый канал состоит из образующих канала, представляющих собой многозаходную (не менее трех) пространственную цилиндрическую спираль, внутренний диаметр которой определяется наружным диаметром твэлов, входящих в тепловыделяющую сборку, а длина канала определяется длиной упомянутых твэлов.The design of the TVS spacer grid consists of a set of identical unified channels for the placement of fuel elements. In turn, each channel consists of channel generators, which are a multi-start (at least three) spatial cylindrical spiral, the inner diameter of which is determined by the outer diameter of the fuel rods included in the fuel assembly, and the channel length is determined by the length of the mentioned fuel rods.

Форма сечения прутка, из которого изготовляется спираль, в частном варианте может быть как круглой, а в другом частном варианте - прямоугольной. В спирали с прямоугольным сечением формы прутка, в частном варианте могут быть сделаны небольшие углубления (траншейные лунки), ориентированные внутрь канала, что увеличит интенсивность теплосъема с поверхности твэла.The cross-sectional shape of the rod from which the spiral is made, in the particular embodiment can be round, and in another particular embodiment, rectangular. In a spiral with a rectangular cross section of the shape of the rod, in a particular embodiment, small recesses (trench holes) can be made oriented inside the channel, which will increase the intensity of heat removal from the surface of the fuel rod.

Число заходов спирали, и ее шаг определяются из условий организации необходимого течения теплоносителя в ТВС. В частном варианте шаг может быть переменным.The number of spiral runs and its step are determined from the conditions of the organization of the necessary coolant flow in the fuel assembly. In a particular embodiment, the step may be variable.

Каждый канал снабжен концевыми элементами, в частном варианте - кольцами, с внутренним диаметром равным наружному диаметру твэла. Концевые элементы каналов имеют неразъемные соединения по торцу с образующими канал спиралями и между собой, например, сваркой или пайкой высокотемпературным припоем. Образующие один канал спирали между собой не соприкасаются, не пересекаются и не имеют других неразъемных соединений кроме концевых элементов. Все каналы, соприкасающиеся между собой, в местах касания снабжены неразъемными соединениями, например, сваркой. Концевые элементы каналов расположены в одной плоскости и образуют так называемые трубные доски.Each channel is equipped with end elements, in a particular embodiment, rings, with an inner diameter equal to the outer diameter of the fuel rod. The end elements of the channels have one-piece connections at the end with the spirals forming the channel and between each other, for example, by welding or soldering with high-temperature solder. The spirals forming one channel do not touch each other, do not intersect, and do not have other inseparable connections except for the end elements. All channels in contact with each other in places of contact are equipped with one-piece joints, for example, welding. The end elements of the channels are located in the same plane and form the so-called tube boards.

Конструктивное оформление каналов в тепловыделяющую сборку определяется количеством твэлов в ТВС. Для надежного соединения каналов между собой в сборке и удобного набора активной зоны выбрана форма ТВС, в основании которой лежит правильный шестиугольник. В этом случае каждый внутренний канал ТВС соединен с шестью другими каналами сборки, а внешний с тремя. Такая сборка может содержать 7, 19, 37 и т.д. каналов. Количество каналов в тепловыделяющей сборке определяется конструкцией реактора.The design of the channels in the fuel assembly is determined by the number of fuel rods in the fuel assembly. To reliably connect the channels to each other in the assembly and to conveniently set the core, the shape of the fuel assembly is chosen, at the base of which lies a regular hexagon. In this case, each internal channel of the fuel assembly is connected to six other assembly channels, and the external to three. Such an assembly may contain 7, 19, 37, etc. channels. The number of channels in the fuel assembly is determined by the design of the reactor.

Указанная совокупность признаков позволяет получить надежное крепление твэлов в ТВС, препятствует касанию твэлов друг с другом и создает условия для интенсивного съема тепла с твэлов. Надежное крепление твэла обеспечено возможностями упругих деформаций конструкции. В момент помещения твэла в ТВС дистанционирующая решетка упруго деформируется в радиальном направлении, и образующие канала надежно фиксируют твэл по всей его длине. Одновременно элементы пространственных спиралей выполняют дистанционирующую роль. Винтообразное исполнение спиралей вносит поперечную составляющую в направление потока теплоносителя, перемешивая его между ячейками увеличивая эффективность теплосъема и препятствуя локальным перегревам. С другой стороны, такая конструкция практически не затеняет твэл, обеспечивая доступ ко всей его поверхности.The specified set of features allows to obtain reliable fastening of the fuel rods in the fuel assemblies, prevents the fuel rods from touching each other and creates conditions for intensive heat removal from the fuel rods. Reliable fastening of the fuel element is ensured by the possibilities of elastic deformation of the structure. When a fuel element is placed in a fuel assembly, the spacer grid is elastically deformed in the radial direction, and the channel generators reliably fix the fuel element along its entire length. At the same time, the elements of spatial spirals play a distance role. The helical design of the spirals introduces the transverse component in the direction of flow of the coolant, mixing it between the cells increasing the efficiency of heat removal and preventing local overheating. On the other hand, such a design practically does not obscure the fuel rod, providing access to its entire surface.

Опытный образец дистанционирующей решетки представлен на фиг.4. Образец изготовлен из нержавеющий стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5949-75). Дистанционирующая решетка состоит из 7 каналов диаметром 12 мм для установки твэлов. Каждый канал образован тремя пространственными спиралями, изготовленными из круглого стального прутка диаметром 2 мм, шаг спирали 160 мм. Спирали соседних каналов в местах касания сварены между собой аргонно-дуговой сваркой. По торцам каналов к ним приварены концевые элементы в виде колец. Внутренний диаметр кольца - 12 мм, внешний - 16 мм, высота кольца - 3 мм. Все концевые элементы расположены в одной плоскости и в местах касания сварены между собой, образуя так называемую трубную доску.A prototype spacer grid is shown in Fig.4. The sample is made of stainless steel 12X18H10T (GOST 5949-75). The spacer grid consists of 7 channels with a diameter of 12 mm for the installation of fuel rods. Each channel is formed by three spatial spirals made of a round steel bar with a diameter of 2 mm, spiral pitch 160 mm. The spirals of adjacent channels at the points of contact are welded together by argon-arc welding. At the ends of the channels, end elements in the form of rings are welded to them. The inner diameter of the ring is 12 mm, the outer is 16 mm, and the height of the ring is 3 mm. All end elements are located in the same plane and in places of contact are welded together, forming the so-called tube plate.

Таким образом, предложенное техническое решение по сравнению с прототипом повышает эксплуатационную надежность ТВС из-за улучшения качества крепления твэлов в сборке и формирования оптимальных газодинамических или гидравлических характеристик движения теплоносителя в активной зоне реактора.Thus, the proposed technical solution in comparison with the prototype increases the operational reliability of the fuel assemblies due to the improved quality of the fuel rods in the assembly and the formation of optimal gas-dynamic or hydraulic characteristics of the motion of the coolant in the reactor core.

Claims

1. A spacer grid of a fuel assembly (FA) of a high-energy nuclear reactor with a triangular arrangement of fuel elements in the form of a set of interconnected channels for accommodating fuel elements, the longitudinal axes of which are parallel to the axis of the fuel assembly, characterized in that the channels are made in the form of multi-pass intersection free from each other with another spatial cylindrical spirals, provided at the ends with end elements located in the same plane and rigidly connected between oboj and channel forming helices to form the tube plate, with the inner diameter of the end elements equal to the outer diameter of the fuel elements.

2. The spacer grid of the fuel assembly according to claim 1, characterized in that the spirals are made of a bar with a cross-section of a round profile.

3. The spacer grid TVS according to claim 1, characterized in that the spirals are made of a rod with a rectangular cross-section

4. The TVS spacer grid according to claim 3, characterized in that trench holes are made on the surface of the spirals, oriented inward to the channel.

5. The TVS spacer grid according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the end elements forming the tube plate are made in the form of rings.