ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям стержневых тепловыделяющих элементов (твэлов), предполагающих наличие в своем составе средств для фиксации ядерного топлива при его транспортировке, а также для поджатия во время эксплуатации топлива, например, в виде таблеток с требуемым усилием. Изобретение может быть использовано, преимущественно, в ядерных реакторах водоводяного типа, например ВВЭР-440, ВВЭР- 1000, РБМК-1000, реакторах типа PWR и BWR, а также в реакторах на быстрых нейтронах типа БН.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны пружинные фиксаторы топливного столба в твэлах ВВЭР- 440, изготовленные из сплава ЭК 173-ИД с диаметром проволоки 0,9 мм.

Недостатками данных фиксаторов является то, что при установке фиксатора в оболочку твэла, из-за одинаковых диаметров буферной и фиксирующей части фиксатора в отдельных случаях наблюдалась деформация буферных витков, кроме того, сплав, из которого ранее изготавливался фиксатор, обладает низкой технологичностью.

Известен пружинный фиксатор топливного столба, расположенный в компенсационном объёме твэла (US 2004196952, МПК G21C3/18, опубл. 2004). Фиксатор состоит из трёх частей. Первая переменная по длине часть примыкает к верхней топливной таблетке топливного столба концевой частью и обеспечивает поджатие топливного столба. Вторая часть обеспечивает сцепление пружинного фиксатора с внутренней поверхностью оболочки твэла радиально направленным наружу давлением. Третья часть позволяет высвобождать вторую часть пружинного фиксатора во время работы реакторной установки, позволяя второй части пружинного фиксатора перемещаться относительно оболочки твэла. Недостатками пружинного фиксатора является то, что при больших удлинениях топливного столба, при работе твэла в активной зоне реакторной установки на номинальных уровнях тепловой мощности и последующей его выгрузке или перегрузке, существует вероятность нарушения целостности (сплошности) топливного столба во время транспортно-технологических или ремонтных операций, что является недопустимым и может приводить к выходу твэлов из строя.

Известен фиксатор (RU 2150151 С1, МПК G21C3/18, опубл.27.05.2000), имеющий последовательно расположенные от топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группу витков, в которых наружный диаметр витков буферной группы больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы, а шаг витков буферной группы меньше шага витков компенсирующей группы, при этом полагается, что наружный диаметр буферной части равен наружному диаметру компенсирующей части. При значении длины L объема для установки пружины 70,0-92,5 мм отношение длины Ь _кб компенсирующей и буферной групп витков к суммарной длине L _o всех групп витков при свободном состоянии пружины выбрано 0,72-0,89, причем количество витков компенсирующей и буферной групп составляет от 14 до 16, а диаметр d их проволоки выбран 0, 8-1,1 мм, а пружина выполнена из железохромоникелевого сплава.

Недостатками фиксатора является то, что при установке фиксатора в оболочку твэла из-за одинаковых наружных диаметров буферной и компенсирующей частей наблюдалась деформация буферных витков, что приводит к снижению прочности и не обеспечивает минимальную величину усилия поджатия столба и максимальную длину установленного в оболочку твэла фиксатора.

Известен пружинный фиксатор (RU 77090, МПК G21C3/18, опубл.10.10.2008), выполненный в виде цилиндрической пружины, имеющей последовательно расположенные от топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группу витков, в которых шаг витков буферной группы меньше шага витков компенсирующей группы, а наружный диаметр витков буферной группы больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы, причем наружный диаметр витков буферной группы меньше наружного, но больше внутреннего диаметра витков компенсирующей группы.

Недостатками фиксатора является то, что при работе такого фиксатора в твэлах с повышенным содержанием топлива и при больших выгораниях существует вероятность полного сжатия витков компенсирующей части пружинного фиксатора, что приводит к потере функции компенсации расширения топливного столба, вероятному смещению фиксирующей части пружинного фиксатора и, как следствие, возможности повреждения оболочки твэла и его разгерметизации.

Наиболее близким является пружинный фиксатор (RU 2389088 С2, МПК G21C3/18, опубл. 2010), имеющей последовательно расположенные от топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группу витков. Наружный диаметр витков буферной группы в данном пружинном фиксаторе больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы. Шаг витков буферной группы меньше шага витков компенсирующей группы, а шаг витков фиксирующей группы больше шага витков компенсирующей группы. При этом полагается, что наружный диаметр буферной части меньше наружного диаметра компенсирующей части.

Недостатками фиксатора является то, что при работе такого фиксатора в твэлах с повышенным содержанием топлива и при больших выгораниях существует вероятность полного сжатия витков компенсирующей части пружинного фиксатора, что приводит к потере функции компенсации расширения топливного столба, вероятному смещению фиксирующей части пружинного фиксатора и, как следствие, возможности повреждения оболочки твэла и его разгерметизации. Таким образом, ограничивается ресурс твэла по длительности работы в активной зоне реактора при повышенном уровне тепловой мощности реакторной установки. Также одним из современных требований к твэлам является возможность переворота тепловоделяющей сборки (ТВС) при ремонтных операциях в условиях атомной станции без смещения топливного столба. Такую возможность этот пружинный фиксатор не обеспечивает.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание высокотехнологичной конструкции пружинного фиксатора, имеющего оптимальные упругие свойства и обеспечивающего увеличение ресурса работы твэла в активной зоне реактора при повышенном уровне тепловой мощности реакторной установки, увеличение длины топливной кампании, возможность изготовления на уже используемом для производства пружинных фиксаторов оборудовании, а также расширение ремонтопригодности ТВС.

Техническим результатом является повышение тепловой мощности реакторной установки, увеличение ресурса работы твэла в активной зоне реактора при повышенном уровне тепловой мощности реакторной установки и увеличение длины топливной кампании.

Технический результат достигается тем, что пружинный фиксатор топливного столба твэлов, выполненный в виде цилиндрической пружины, имеющей последовательно расположенные от топливного столба компенсирующую, буферную и фиксирующую группу витков, в которых шаг витков буферной группы меньше шага витков компенсирующей группы, а наружный диаметр витков буферной группы больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы, причем наружный диаметр витков буферной группы меньше наружного, но больше внутреннего диаметра витков компенсирующей группы, причём витки фиксирующей части плотно сжаты, при этом шаг витков фиксирующей группы t ₍₁ , равен диаметру проволоки d. В частном варианте исполнения наружный диаметр витков буферной группы равен наружному диаметру витков компенсирующей группы.

В частном варианте исполнения шаг t _K витков компенсирующей группы при свободном состоянии пружины составляет 3,5 - 5 мм.

В частном варианте исполнения количество витков компенсирующей группы выбрано от 11 до 28.

В частном варианте исполнения количество витков компенсирующей и буферной групп выбрано от 12 до 30.

В частном варианте исполнения количество витков фиксирующей группы выбрано от двух до шести.

В частном варианте исполнения количество витков буферной группы выбрано от одного до двух.

В частном варианте исполнения суммарное количество витков фиксирующей, буферной и компенсирующей групп выбрано от 14 до 36.

В частном варианте исполнения диаметр d их проволоки выбран от 0,8 до 1,51 мм,

В частном варианте исполнения наружный диаметр В _ф витков фиксирующей группы выбран от 8,00 до 8,80 мм.

В частном варианте исполнения наружный диаметр D _K витков компенсирующей группы выбран от 6,80 до 7,85 мм.

В частном варианте исполнения пружина выполнена из коррозионно- стойкой стали аустенитного класса.

В частном варианте исполнения пружина выполнена из жаропрочного сплава на никелевой основе.

Изменение шага витков фиксирующей группы (до полного сжатия) позволило уменьшить длину фиксирующей группы пружинного фиксатора, что в свою очередь позволило увеличить длину компенсирующей части и обеспечить более компактное расположение пружинного фиксатора в свободном объёме твэла не препятствующее выполнению контрольных операций по измерению давления под оболочкой твэла на линии изготовления. При такой конструкции достигаются оптимальные упругие свойства фиксатора, позволяющие достигнуть технического результата, а именно: повышение тепловой мощности реакторной установки, увеличение ресурса работы твэла в активной зоне реактора при повышенном уровне тепловой мощности реакторной установки и увеличение длины топливной кампании.

В частном варианте изобретения выполнение пружины из коррозионно- стойкой стали аустенитного класса или из жаропрочного сплава на никелевой основе обеспечило дополнительное увеличение технологичности предлагаемого фиксатора.

В основу разработки предлагаемого фиксатора вошли проблемы, возникающие при увеличении массы топлива в твэле, повышении тепловой мощности реакторной установки, увеличении длины топливной кампании и более жёстких режимов эксплуатации. Для устранения трудностей было предложено изменить шаг витков фиксирующей группы пружинного фиксатора при одновременном увеличении шага витков компенсирующей группы и/или увеличении их количества.

При расчете предлагаемого пружинного фиксатора для реактора ВВЭР-440 учитывались следующие требования: длина фиксатора после его установки не должна превышать 52 - 56 мм для обеспечения зазора между торцом пружины и верхней заглушкой твэла, фиксатор должен обеспечивать усилие поджатия топлива не менее 1,2 веса столба после всех технологических операций, рабочий ход фиксатора должен компенсировать перемещение топливного столба относительно оболочки твэла при выходе реактора на мощность и в процессе всего срока эксплуатации не менее 24 мм, диаметр пружинной проволоки 1,01 мм, масса топливного столба 1,25 кг для твэлов ВВЭР-440 третьего поколения. В ходе выполнения расчётного обоснования было показано, что коэффициент запаса по минимальному усилию поджатия составляет 1,5, а коэффициент запаса по свободному ходу фиксатора составляет 1,26.

Таким образом, расчётным путём показано выполнение всех требований, предъявляемых к пружинному фиксатору твэла третьего поколения для реактора ВВЭР-440, что было необходимо для подтверждения достижения технического результата.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение поясняется чертежом. Изображена цилиндрическая пружина предлагаемого пружинного фиксатора.

Пружина состоит из фиксирующей группы 1, буферной группы 2 и компенсирующей группы 3. Шаг витков буферной группы t ₆ меньше шага витков компенсирующей группы t _K , а витки фиксирующей части плотно сжаты (шаг витков фиксирующей группы равен диаметру проволоки d). Наружный диаметр витков буферной группы D ₆ выполнен больше внутреннего диаметра витков фиксирующей группы б _ф и больше внутреннего диаметра витков компенсирующей группы d _K , но равен или меньше наружного диаметра витков компенсирующей группы D _K .

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

В частном случае для твэла третьего поколения реактора ВВЭР-440, изготавливается трехступенчатая цилиндрическая пружина, например, из проволоки диаметром 1,01 мм с наружным диаметром Э _ф фиксирующей группы 8,1 мм, с внутренним диаметром d _<i> фиксирующей группы 6,08 мм, наружным диаметром Dg буферной группы 7,00 мм, наружным диаметром D _K компенсирующей группы 7,00 мм и внутренним диаметром d _K компенсирующей группы 4,98 мм.

Предлагаемая конструкция пружинного фиксатора высокотехнологична, имеет оптимальные упругие свойства и обеспечивает увеличение ресурса работы твэла в активной зоне реактора при повышенном уровне тепловой мощности реакторной установки, увеличение длины топливной кампании, а также расширение ремонтопригодности ТВС с твэлами с данным пружинным фиксатором.