Патент на изобретение №2310930

(54) ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов ядерного энергетического реактора. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора содержит оболочку, заглушки. Оболочка заполнена ядерным топливом. Заглушки соединены с оболочкой сварными швами. Один из сварных швов расположен первым по ходу теплоносителя в реакторе и находится под наружной поверхностью оболочки с заглублением в нее заглушки. Заглушка состоит из наружного и вваренного в оболочку тепловыделяющего элемента участков, последний из которых имеет диаметр меньше наружного диаметра оболочки тепловыделяющего элемента, но больше ее внутреннего диаметра и заканчивается выдавленным из стыка наружным гратом. Наружный участок заглушки расположен непосредственно за сварным швом. Этот участок заглушки выполнен в виде элемента цилиндрической формы, переходящего в окончание конической формы с диаметром, меньшим или равным максимальному диаметру оболочки тепловыделяющего элемента, но больше диаметра участка заглушки, вваренного в оболочку. Наружный грат расположен между торцом оболочки тепловыделяющего элемента и торцевой поверхностью наружного участка заглушки, соединяющей этот участок заглушки с образующей поверхности участка заглушки, вваренного в оболочку. Изобретение позволяет повысить технологичность конструкции тепловыделяющего элемента и уменьшить гидравлическое сопротивление тепловыделяющего элемента потоку теплоносителя в реакторе. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов ядерного энергетического реактора.

Известен тепловыделяющий элемент, содержащий трубчатую оболочку и вваренную в нее с заглублением заглушку (см. патент РФ №2127457, бюл. №7 1999 г.).

Тепловыделяющий элемент обеспечивает требуемые технические параметры, надежно работает в действующих ректорах типа ВВЭР, однако, из-за наличия сварных швов, выполненных различными видами сварки, не технологичен, имеет большую трудоемкость изготовления. Это также требует дополнительных производственных площадей, различных методов контроля. Уменьшается выход годной продукции из-за достаточно большой номенклатуры недопустимых дефектов, характерных для сварки плавлением.

Недостатком является также то, что конструктивно переход от оболочки к заглушке, вваренной с заглублением сварного шва в оболочку, выполнен без посадки внутренней поверхности оболочки на вваренную часть заглушки, что приводит к возникновению в сварном соединении при его нагружении дополнительных напряжений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является тепловыделяющий элемент по патенту РФ №2082574, В23К 11/02, G21С 3/00, бюл. №18, 1997 (прототип), содержащий оболочку, заполненную топливом, и вваренную в нее с заглублением заглушку, контактирующую с топливным столбом.

Недостатками данного тепловыделяющего элемента является сложность адаптации его к условиям уже работающих реакторов, что выражается в необходимости дополнительного использования, например, таблеток-имитаторов, расположенных в нижней части топливного столба, но выполненных не из делящегося материала и обеспечивающих лишь заданное положения нижнего уровня топлива в реакторе. Необходимость использования таких таблеток-имитаторов снижает технологичность конструкции и увеличивает затраты на ее изготовление.

Недостатком данного тепловыделяющего элемента является также повышенное гидравлическое сопротивление теплоносителю в реакторе из-за того, что вваренная в оболочку часть заглушки имеет диаметр, больше ее наружной части. В результате между наружной поверхностью оболочки тепловыделяющего элемента и наружной частью заглушки образуется ступенчатый переход, увеличивающий гидравлическое сопротивление тепловыделяющего элемента. Наличие резкого перехода от наружной части заглушки к оболочке приводит к возникновению турбулентных процессов в теплоносителе и повышенным вибрационным воздействиям теплоносителя на тепловыделяющий элемент. Такая конструкция затрудняет также сборку тепловыделяющих элементов в топливную кассету и приводит к повреждению дистанционирующих решеток ее каркаса. Этому же способствует расположение наружного грата на конце вваренной в оболочку части заглушки, полностью открытого навстречу потоку теплоносителя в реакторе.

Недостатком является также то, что конструктивно переход от оболочки к заглушке, вваренной с заглублением сварного шва в оболочку, выполнен без посадки внутренней поверхности оболочки на вваренную часть заглушки, что приводит к возникновению в сварном соединении при его нагружении дополнительных напряжений.

Технической задачей изобретения является повышение технологичности конструкции тепловыделяющего элемента, уменьшение гидравлического сопротивления тепловыделяющего элемента потоку теплоносителя в реакторе, повышение конструкционной прочности сварного узла, контактирующего с топливным столбом.

Решение технической задачи достигается тем, что в известном тепловыделяющем элементе, содержащем оболочку, заполненную ядерным топливом, заглушки, соединенные с оболочкой сварными швами, по крайнее мере, один из которых, расположенный первым по ходу теплоносителя в реакторе, находится под наружной поверхностью оболочки с заглублением в нее заглушки, состоящей из наружного и вваренного в заглушку участков, последний из которых имеет диаметр, меньше наружного диаметра оболочки тепловыделяющего элемента, но больше внутреннего ее диаметра и заканчивается выдавленным из стыка наружным гратом, согласно формуле изобретения наружный участок заглушки, расположенный непосредственно за сварным швом, выполнен в виде элемента цилиндрической формы, переходящего в окончание конической формы, с диаметром, меньшим или равным максимальному диаметру оболочки тепловыделяющего элемента, но больше диаметра участка заглушки, вваренного в оболочку, а наружный грат расположен между торцом оболочки тепловыделяющего элемента и торцевой поверхностью наружного участка заглушки, соединяющей этот участок заглушки с образующей поверхности участка заглушки, вваренного в оболочку.

Другим отличием является то, что на наружном участке заглушки выполнена кольцевая проточка, расположенная между наружным гратом и окончанием конической формы наружного участка заглушки и имеющая диаметр, больший диаметра участка заглушки, вваренного в оболочку, но меньше минимального диаметра тепловыделяющего элемента, по крайней мере, на величину допустимой несоосности между оболочкой тепловыделяющего элемента и заглушкой. Ширина кольцевой проточки составляет 0,2-1,5 мм.

Решение технической задачи достигается также тем, что внутренняя поверхность оболочки на участке внутреннего грата, зажатого между этой поверхностью и частью заглушки, находящейся внутри оболочки, опирается на него. Другим отличием является то, что внутренняя поверхность оболочки тепловыделяющего элемента сопряжена с внутренним гратом по радиусу, равному не менее одной шестой толщины стенки оболочки.

Указанная совокупность признаков является новой и не известна из уровня техники и решает поставленную задачу, так как:

– наличие цилиндрического элемента наружного участка заглушки диаметром, не больше максимального диаметра тепловыделяющего элемента, но больше диаметра участка заглушки, вваренного в оболочку, с переходом в коническое окончание позволяет иметь низкое гидравлическое сопротивление тепловыделяющего элемента потоку теплоносителя в реакторе и обеспечивает технологичность сборки тепловыделяющего элемента в топливную кассету;

– расположение наружного грата между торцом оболочки и торцевой поверхностью наружного участка заглушки, соединяющей его с образующей поверхностью участка, вваренного в оболочку, снижает гидравлическое сопротивление тепловыделяющего элемента, улучшает его технологичность при сборке в кассету;

– наличие на цилиндрическом элементе наружного участка заглушки между наружным гратом и коническим окончанием наружного участка заглушки, имеющим диаметр от минимального до максимального диаметра тепловыделяющего элемента, кольцевой проточки, диаметр которой больше диаметра вваренного участка заглушки, но меньше минимального диаметра тепловыделяющего элемента, по крайней мере, на величину допустимой несоосности между оболочкой и заглушкой, позволяет при изготовлении тепловыделяющего элемента уменьшить расстояние между торцом оболочки и торцевой поверхностью наружного участка заглушки, что способствует более полному заполнению его гратом и улучшению конструкционных и технологических характеристик тепловыделяющего элемента. Выполнение кольцевой проточки шириной менее 0,2 мм нецелесообразно, так как не оказывает видимого влияния на свойства сварного соединения тепловыделяющего элемента. При ширине этой проточки больше 1,5 мм, с одной стороны, в процессе сварки, как правило, происходит излишний разогрев этого участка заглушки и недопустимая деформация, с другой стороны, наличие широкой проточки отрицательно сказывается на технологичности тепловыделяющего элемента и, в частности, ухудшает условия собираемости его в кассету ТВС;

– зажатие наружного грата между внутренней поверхностью оболочки и поверхностью заглушки создает объемное сжатие нагретого металла и значительно уменьшает (в первую очередь, в радиальном направлении) наружные и внутренние складки металла. В результате оболочка своей внутренней поверхностью опирается на заглушку в зоне сварного соединения, что повышает его конструкционную прочность. Аналогичный эффект наблюдается, как показали исследования на специальных моделях, если радиус сопряжения внутренней поверхности оболочки с заглушкой составляет более 1/6 толщины стенки оболочки тепловыделяющего элемента.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен тепловыделяющий элемент.

На фиг.2 – участок тепловыделяющего элемента со сварным соединением.

На фиг.3 – участок тепловыделяющего элемента со сварным соединением с выполненной кольцевой проточкой.

Тепловыделяющий элемент состоит из оболочки 1, в которую по торцам вварены сварными швами 2 и 3 заглушки 4 и 5. Одна из заглушек 4, привариваемая к торцу оболочки тепловыделяющего элемента, расположенного первым по ходу теплоносителя в реакторе, вварена с заглублением в оболочку на глубину, превышающую толщину оболочки, при этом сварной шов 2 находится под поверхностью оболочки 1. Заглушка 4 имеет наружный участок, коническое окончание 6 которого переходит в цилиндрический элемент 7, на конце которой со стороны торца оболочки может быть выполнена кольцевая проточка 8, диаметром которой больше диаметра вваренного участка заглушки, но меньше минимального диаметра оболочки, по крайней мере, на величину максимально допустимой несоосности между оболочкой тепловыделяющего элемента со сварным соединением и заглушкой. Ширина кольцевой проточки 0,2-1,5 мм. Протяженность цилиндрического элемента наружного участка заглушки в осевом направлении зависит от требований, предъявляемых к тепловыделяющему элементу со сварным соединением, например, по положению топливного столба относительно активной зоны реактора или необходимости нанесения на ней маркировки. При необходимости на торце заглушки, расположенном под оболочкой тепловыделяющего элемента, размещается цилиндрический выступ 9. Наружный диаметр этого выступа гарантированно меньше внутреннего диаметра оболочки для исключения шунтирования сварочного тока при сварке. Оптимальное значение этого диаметра составляет 0,7-0,9 величины номинального внутреннего диаметра оболочки и определяется объемом выдавливаемого внутрь металла (грата) 10, зависящего от размеров ввариваемой части заглушки, режимов сварки и величины заглубления заглушки 2. При значениях диаметра, близких к максимальному, формируется переход от внутренней поверхности оболочки к заглушке с радиусом не менее 1/6 толщины оболочки, а при его минимальной величине обеспечивается посадка в зоне сварного соединения внутренней поверхности оболочки на заглушку. Максимальная длина выступа 9 определяется исходя из реальных требований к положению топливного столба в тепловыделяющем элементе, наличия уменьшения внутреннего диаметра оболочки в зоне сварки, целесообразности удаления сварного шва от топливного столба для уменьшения его нагрева. На практике она составляет 0,5-2,0 внутренних диаметров оболочки. На торец цилиндрического выступа 9 опирается топливный столб 11. Для исключения перегрева заглушки 4 цилиндрический выступ 9 имеет отверстие 12. Глубина этого отверстия не превышает длины цилиндрического выступа. При минимальной длине цилиндрического выступа отверстие 12 может заменяться углублением на торце этого выступа, исключающего прямой контакт заглушки с центральной частью топливного столба. В частных случаях этот выступ может представлять собой систему, по крайней мере, из двух цилиндров, соотношение диаметральных размеров которых позволяет, с одной стороны, исключить шунтирование сварочного тока через оболочку при сварке, а с другой, – обеспечить требуемое формирование внутреннего грата.

Внутренние деформированные слои металла оболочки и заглушки, образующие внутренний грат 10, зажатые между внутренней поверхность оболочки 1 и цилиндрическим выступом 9, являются дополнительной опорой для оболочки, при этом складки 13 либо образуют посадочное место для оболочки, либо полностью или частично завариваются с образованием поверхности радиуса (R), соединяющей оболочку с заглушкой, при величине этого радиуса не менее одной шестой толщины стенки оболочки и утолщением стенки оболочки в этом месте. Наружные складки 14 в зоне выдавленного из стыка металла-грата 15 также формируются с полным или частичным завариванием. Складки и исходное положение торца оболочки на фиг.2 показаны пунктирными линиями.

Предлагаемый тепловыделяющий элемент работает следующим образом.

Готовые тепловыделяющие элементы собираются в тепловыделяющие сборки. Сборка тепловыделяющих элементов выполняется путем проталкивания их через дистанционирующие решетки, ячейки которых обладают определенной упругостью, а отверстия для размещения тепловыделяющих элементов несколько меньше наружного диаметра оболочки 1. Наличие конического окончания 6 наружного участка заглушки 4, максимальный диаметр которого равен максимальному диаметру заглушки 4, позволяет беспрепятственно устанавливать тепловыделяющие элементы в дистанционирующие решетки. Нижний конец тепловыделяющего элемента упирается меньшим диаметром конической поверхности 6 в нижнюю отбойную решетку топливной кассеты и не перекрывает ее проливные отверстия, сварной шов 2 расположен под оболочкой, закрыт максимальным диаметром заглушки 4 или выдавленным из стыка металлом 15. В результате гидравлическое сопротивление тепловыделяющего элемента потоку теплоносителя в реакторе не изменяется и соответствует требуемым параметрам. При работе тепловыделяющего элемента в реакторе топливный столб 12, удаленный от сварного шва 2 на величину цилиндрического выступа 9, не оказывает на него недопустимых тепловых и силовых радиальных нагрузок. Этому также способствует то, что внутренние складки 13 либо отсутствуют полностью с образованием в этой зоне радиусной поверхности, либо образуют для оболочки посадочное место вплоть до частичного диффузионного схватывания оболочки и грата 10, и то, что цилиндрический выступ 9 имеет осевое отверстие 12, исключающее контакт средней, наиболее нагретой, части топливного столба с заглушкой 4.

Формула изобретения

1. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора, содержащий оболочку, заполненную ядерным топливом, заглушки, соединенные с оболочкой сварными швами, по крайнее мере, один из которых, расположенный первым по ходу теплоносителя в реакторе, находится под наружной поверхностью оболочки с заглублением в нее заглушки, состоящей из наружного и вваренного в оболочку тепловыделяющего элемента участков, последний из которых имеет диаметр меньше наружного диаметра оболочки тепловыделяющего элемента, но больше ее внутреннего диаметра и заканчивается выдавленным из стыка наружным гратом, отличающийся тем, что наружный участок заглушки, расположенный непосредственно за сварным швом, выполнен в виде элемента цилиндрической формы, переходящего в окончание конической формы, с диаметром, меньшим или равным максимальному диаметру оболочки тепловыделяющего элемента, но больше диаметра участка заглушки, вваренного в оболочку, а наружный грат расположен между торцом оболочки тепловыделяющего элемента и торцевой поверхностью наружного участка заглушки, соединяющей этот участок заглушки с образующей поверхности участка заглушки, вваренного в оболочку.

2. Тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что ширина кольцевой проточки составляет 0,2-1,5 мм.

РИСУНКИ