Устройство удержания пластин ядерного топлива в топливной сборке газоохлаждаемого быстрого реактора с высокотемпературным газовым охлаждением

Устройство удержания пластин ядерного топлива в топливной сборке газоохлаждаемого быстрого реактора с высокотемпературным газовым охлаждением

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству удержания ядерных топливных элементов в виде пластин для ядерного реактора на быстрых нейтронах, в частности для высокотемпературного реактора на быстрых нейтронах с газовым охлаждением четвертого поколения, называемого газоохлаждаемым быстрым реактором (GFR), к топливной сборке, образованной множеством таких устройств с пластинами ядерного топлива, а также единого модуля, содержащего такую топливную сборку.

Уровень техники

Как правило, электростанции, производящие энергию при помощи реакции деления ядер, используют топливные элементы, в которых в процессе деления высвобождается тепловая энергия, которая отбирается за счет теплообмена с текучей средой-теплоносителем, обеспечивая тем самым охлаждение топливных элементов.

При выполнении топливных элементов в виде пластин их объединяют в группы и располагают параллельно друг другу внутри каждой группы. Между пластинами циркулирует текучая среда-теплоноситель, например гелий, обеспечивая отбор тепла за счет теплообмена.

Активная зона реакторов образована конструкциями, которые выполняют несколько функций.

С точки зрения термогидравлики конструкции обеспечивают теплопередачу между топливными элементами и текучей средой-теплоносителем на всех режимах работы, т.е. обеспечивают позиционирование топливных элементов и толщину слоев текучей среды-теплоносителя, необходимых для их охлаждения, а также питание гидравлических каналов текучей средой-теплоносителем. Для этого конструкции должны достаточно надежно удерживать топливные элементы, чтобы толщина слоев текучей среды-теплоносителя, циркулирующей между пластинами, менялась лишь в незначительной степени и, кроме того, чтобы положение пластин относительно друг друга было таким, чтобы на сторонах пластин обеспечивалась однородная циркуляция текучей среды.

Кроме того, необходимо, чтобы эти конструкции приводили к минимальным потерям напора в топливной сборке, в частности, для обеспечения удаления остаточной мощности в режиме естественной конвекции во время некоторых аварийных ситуаций.

Под «объемной долей компонента» следует понимать отношение объема компонента к объему активной зоны.

Что касается потока нейтронов, то предпринимают меры для обеспечения стабильности геометрии в пространстве топливных элементов, заданной плотности заполнения ядерным топливом, при которой можно достигать мощность на единицу объема, необходимую для нормальной работы и хорошей производительности реактора, при которой конструкции будут максимально «прозрачными» для нейтронов, чтобы не мешать работе нейтронов активной зоны, независимо от рабочего режима реактора, т.е. как при нормальной работе, так и при работе в аварийной ситуации. Для этого следует максимально уменьшить объемную долю конструкций активной зоны, а также их коэффициент поглощения и замедления нейтронов.

С точки зрения механики эти конструкции предназначены для обеспечения механической архитектуры активной зоны. Кроме того, эти конструкции должны обеспечивать целостность топливных элементов в течение всего срока их службы, чтобы гарантировать хорошее нейтронное функционирование активной зоны и не загрязнять первичный контур.

Кроме того, как правило, во время работы реакторов топливные элементы, которые являются нагревательными элементами, имеют более высокую температуру, чем удерживающие их конструкции, что приводит к положительному дифференциальному тепловому расширению топливных элементов по отношению к удерживающей их конструкции.

В частном случае реакторов на быстрых нейтронах, в которых в активной зоне не происходит замедления и в отношении которых ориентиром является спектр быстрых нейтронов (в случае активной зоны с замедлением ориентиром является термический спектр), существует более реальная опасность разрушения топливных элементов, чем при термическом спектре, так как спектр быстрых нейтронов, кроме дифференциальных расширений, приводит к явлениям дифференциального вспучивания. Под вспучиванием следует понимать остаточную деформацию в отличие от теплового расширения, при котором деформация является обратимой.

Таким образом, на локальном уровне повышается риск появления напряжений при взаимодействии топливных элементов с удерживающей их конструкцией; и на уровне активной зоны общее выгибание топливных сборок по высоте активной зоны может быть значительным, тогда как в термическом спектре оно является несущественным.

Это может привести к двум последствиям:

- к риску появления механической нагрузки на топливные элементы со стороны удерживающих конструкций,

- к риску появления механической нагрузки между элементами, обеспечивающими механическую архитектуру активной зоны, которая может передаваться на топливные элементы.

Кроме того, спектр быстрых нейтронов приводит к повышению хрупкости материалов под действием облучения, в частности, по причине:

- повышения температуры перехода пластического состояния в хрупкое,

- появления хрупких фаз и чрезмерного вспучивания материалов.

Повышение хрупкости затрудняет контроль нагрузок типа наведенной деформации, которые могут выражаться во внутренних напряжениях в самих материалах или в напряжениях между взаимодействующими деталями.

Кроме того, желательно, чтобы эти конструкции облегчали операции всех этапов топливного цикла, в частности погрузочно-разгрузочные операции, операции монтажа, демонтажа, транспортировки и переработки.

Наконец, поскольку все компоненты активной зоны представляют опасность для окружающей среды, они должны проходить через этапы переработки, поэтому желательно обеспечивать возможность разборки конструкций активной зоны с целью оптимизации срока их службы и сведения к минимуму количества радиоактивных отходов.

Кроме того, рекомендуется достигать большой объемной доли топлива, по меньшей мере, порядка 20%, чтобы получать спектр быстрых нейтронов, одинаковую и даже избыточную генерацию, высокую производительность, контролируемое реагирование для обеспечения достаточного запаса безопасности при управлении реактором и, наконец, допустимое количество ядерного топлива.

Кроме того, чтобы соответствовать задачам, поставленным перед реакторами четвертого поколения, активные зоны реакторов типа GFR должны не только характеризоваться быстрым потоком, позволяющим достигать коэффициента воспроизводства, по меньшей мере равного 1, для существенного уменьшения необходимого количества урана на единицу производимой энергии и/или сокращения мощностей, необходимых для преобразования отходов (продукты деления и младшие актиниды), но также при использовании газа-теплоносителя должны позволять достигать на выходе реактора достаточно высокого уровня средней температуры, совместимого с предусматриваемыми вариантами применения для высокоэффективного производства электроэнергии (например, при прямом цикле), производства водорода, опреснения морской воды или синтеза топлива. Этот уровень устанавливают примерно в 900°C при входной температуре порядка 400°C, что дает осевой тепловой градиент в 500°C в активной зоне. Эти задачи использования газа-теплоносителя, обеспечения высокой температуры на выходе активной зоны и большого теплового градиента в активной зоне для реактора типа GFR среди всех семейств реакторов приводят к очень сложным условиям работы с точки зрения локальных дифференциальных тепловых расширений, которые могут привести к разрушению топливных элементов.

Действительно, газ-теплоноситель является недостаточно эффективным для обеспечения локального охлаждения горячей точки за счет теплообмена как по причине слабой теплопроводности газа по сравнению с водой реакторов на быстрых нейтронах, работающих на воде под давлением, или реакторов с натрием, так и по причине слишком высокой скорости, которую необходимо применять для обеспечения охлаждения топливных элементов: при использовании газа необходимо развивать скорость порядка сотни м/с, например, по сравнению со скоростью порядка десятка м/с в реакторах на быстрых нейтронах и примерно 5 м/с в реакторах на воде под давлением.

Кроме того, активная зона в основном отличается очень большими температурными градиентами: действительно, предусматривают среднее осевое повышение температуры вдоль пластин порядка 500°C, против максимального значения 180°C для реактора на быстрых нейтронах и только 37°C для реактора на воде под давлением.

Кроме того, как правило, вспучивание от облучения зависит от температуры, следовательно, наличие больших локальных температурных градиентов может еще больше повысить опасность этого дифференциального вспучивания.

Дифференциальные деформации представляют еще большую опасность в случае реакторов типа GFR, поскольку в них применяют огнеупорные материалы, выдерживающие высокие температуры этих реакторов. Данные материалы характеризуются более низкой прочностью на разрыв и более низким запасом пластичности, чем металлические материалы, обычно используемые в реакторах, поэтому они являются особенно чувствительными к таким деформациям.

Существует несколько типов реакторов, использующих пластины в качестве топливных элементов, например исследовательские реакторы типа MTR («Material Testing reactor»), такие, например, как реактор Жюля Горовица (RJH). В этом реакторе пластины занимают всю высоту активной зоны и удерживаются по всей своей высоте соединениями типа направляющих салазок. Этот тип конструкции не подходит для реакторов типа GFR, так как появление дифференциального расширения и дифференциального вспучивания может привести к появлению в пластинах недопустимых напряжений.

Из документа GB 2021844 А известна удерживающая конструкция для топливных элементов в виде пластин для реактора с газовым охлаждением. Эта удерживающая конструкция выполнена в виде шестиугольного кессона, в котором закреплен центральный разделительный элемент в виде крестовины, расположенный по всей высоте кессона. Пластины удерживаются в поперечном направлении пазами, выполненными в крестовинах и внутренних сторонах шестиугольного кессона. Пластины не занимают всю высоту активной зоны, но уложены штабелем одна на другую, при этом нижняя пластина опирается на упор, выполненный в основании каждого паза. Конструкция удержания пластин является исключительно жесткой, так как она выполнена в виде полностью перегороженного толстого кессона, имеющего большой момент инерции, и за счет центральной крестовины обеспечивает жесткость по всей высоте.

Этот тип конструкции тоже не годится для реактора типа GFR, так как не позволяет учитывать вспучивание и расширение составных элементов конструкции. Действительно, деформации топливных пластин противостоят направляющие салазки, которые могут создавать напряжение, приводящее к повреждению пластин. Кроме того, из-за укладки пластин штабелем друг на друга по всей высоте активной зоны стопорение пластины в направляющих салазках по причине вспучивания может заблокировать осевые деформации других пластин. В этих условиях появляется нагрузка типа наведенной деформации топливных элементов, что быстро приводит к их разрушению.

Кроме того, такой конструкцией довольно сложно манипулировать, т.к. она не предусматривает модульного разделения пластин и позволяет манипулировать пластинами только индивидуально.

В документе GB 1162641 описана топливная сборка с топливными элементами в виде пластин. Сборка состоит из шестиугольного корпуса, содержащего три центральные перегородки, образующие крестовину, в которую непосредственно вставлены пластины. Пластины занимают всю высоту топливной сборки и закреплены сваркой в нижней части сборки, а их разделение промежутками в верхней части сборки обеспечено гребенчатой системой, позволяющей им свободно расширяться в осевом направлении. Боковые края пластин входят в контакт с внутренними стенками корпуса по всей их высоте. Боковой контакт с корпусом и его внутренними перегородками препятствует поперечной дифференциальной деформации между корпусом и пластинами, а их крепление сваркой на нижнем конце препятствует их выгибанию. Кроме того, поперечный контакт пластин по всей высоте корпуса может привести к нагрузке на пластины в случае выгибания корпуса.

В документе GB 907393 описана система удержания топливных пластин в реакторе на быстрых нейтронах. Пластины расположены в кессоне прямоугольного сечения и занимают всю высоту кессона. Они удерживаются на уровне верхней зоны и нижней зоны боковыми зубчатыми рейками с механическим функциональным зазором, который позволяет им свободно выгибаться под действием вспучивания топлива. Топливные пластины неподвижно соединены между собой, следовательно, деформация одной из пластин сказывается на соседних пластинах. Кроме того, система удержания является жесткой, поэтому пластины могут подвергаться действию напряжений во время их вспучивания и/или расширения.

Задачей изобретения является создание топливной сборки реактора на быстрых нейтронах, в котором пластины ядерного топлива могут деформироваться, как и другие образующие сборку элементы, не подвергаясь разрушению при взаимодействии между пластинами и различными элементами, с соблюдением очень большой объемной доли топливного материала в активной зоне, предпочтительно не менее 20%.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решается путем выполнения топливной сборки, содержащей корпус, охватывающий конструкцию, образующую каркас, в которой ступенями распределены пластины, при этом пластины расположены группами параллельно друг другу и удерживаются только своими нижними и верхними концами в направлении их ширины. Таким образом, параллельные между собой пластины являются механически независимыми и не влияют друг на друга. Кроме того, отсутствует механическое взаимодействие между пластинами двух отдельных ступеней. Каркас и корпус не связаны друг с другом, поэтому деформации корпуса или каркаса не влияют соответственно на каркас или корпус. Кроме того, каркас выполнен так, чтобы пластины не входили в контакт с корпусом. Таким образом, деформации от расширения и/или вспучивания каждой детали сборки могут происходить свободно без существенных напряжений от их взаимодействия.

Иными словами, настоящее изобретение обеспечивает механическое разъединение топливных элементов и удерживающих конструкций, а также разъединение самих топливных элементов. Кроме того, оно обеспечивает разъединение удерживающих конструкций и конструкцией активной зоны.

При этом в изобретении используются статически определимые соединения между каждым топливным элементом и его удерживающей конструкцией, что позволяет избежать появления напряжений от их взаимодействия, которые могут привести к разрушению топливных элементов. Под статически определимым соединением следует понимать соединение без избыточных связей между конструкциями и топливными элементами и наличие механических функциональных зазоров и/или удерживающих упругих элементов жесткости для существующих соединений, что позволяет топливным элементам свободно деформироваться в удерживающей их конструкции.

Согласно изобретению комплекс, в частности, содержит несколько механически независимых ступеней пластин.

В частности, удерживающая конструкция выполнена относительно податливой, что позволяет избежать создания удерживающими конструкциями значительных напряжений в топливных пластинах в случае дифференциальных деформаций, превышающих предусмотренные. Кроме того, конструкция осуществляет осевое удержание пластин, что позволяет уменьшить габариты по сравнению с поперечным удержанием. Это уменьшение габаритов позволяет ограничить снижение объемной доли топлива в активной зоне и избежать слишком больших мертвых гидравлических объемов.

Таким образом, изобретение позволяет избежать механического взаимодействия между сторонами топливных пластин, разделять и механически разъединять конструкции, обеспечивающие удержание топливных элементов, и конструкции, обеспечивающие механическую архитектуру активной зоны, а также позволяет достигать большой объемной доли топлива.

Основным объектом настоящего изобретения является устройство удержания ядерных топливных пластин с продольной осью, содержащее дно, образующее нижний продольный конец устройства удержания, и крышку, образующую верхний продольный конец устройства удержания, при этом дно и крышка связаны между собой посредством центрального и периферийных соединительных средств, причем на крышке установлено множество верхних средств удержания пластин, закрепленных на крышке, а на дне установлено множество нижних средств удержания пластин, закрепленных на дне, при этом каждое верхнее средство удержания обеспечивает упругое удержание верхнего продольного конца пластины в направлении ее ширины и допускает свободную деформацию верхнего продольного конца пластины в направлении ее толщины, а каждое нижнее средство удержания обеспечивает упругое удержание нижнего продольного конца пластины в направлении ее ширины и допускает перемещение нижнего продольного конца пластины в направлении ее толщины.

Предпочтительно каждое верхнее средство удержания содержит верхнюю гребенку с множеством выровненных в ряд зубьев, выступающих в продольном направлении в сторону дна, причем один из зубьев выполнен с возможностью создания упругого усилия в направлении ширины пластины, а каждое нижнее средство удержания содержит нижнюю гребенку с множеством выровненных в ряд зубьев, выступающих в продольном направлении в сторону крышки, причем один из этих зубьев выполнен с возможностью создания упругого усилия в направлении ширины пластины. Такие средства удержания являются очень простыми в изготовлении и занимают мало места, что позволяет снизить затраты на изготовление, а также уменьшить габариты. Кроме того, эти средства удержания способствуют уменьшению объемной доли устройства удержания.

Зубья, реализующие упругое удержание, обеспечивают удержание и ориентацию пластины вдоль ширины зуба, а другие зубья обеспечивают поперечное удержание пластины, обеспечивая при этом свободу ее деформации в поперечном направлении, т.е. возможность сглаживания поперечного выгибания пластины, а также дифференциальных деформаций с пластиной.

Предпочтительно зубья, выполненные с возможностью создания упругого усилия в направлении ширины пластины, расположены на осевом конце нижней и верхней гребенок, направленном в сторону центральной части дна и крышки соответственно, что обеспечивает сохранение ширины слоя газа, циркулирующего между концом первой пластины и стороной второй пластины, наклоненной относительно первой пластины.

Например, зубья, выполненные с возможностью создания упругого усилия в направлении ширины пластины, содержат по меньшей мере один изогнутый упруго деформирующийся язычок, выполненный за одно целое с зубом. Преимуществом такого выполнения является простота и надежность.

Устройство удержания может иметь поперечное сечение в виде правильного шестиугольника. Верхние и нижние средства удержания распределены по трем ромбовидным зонам, при этом ромб дна находится напротив ромба крышки. Такая форма обеспечивает функцию механической архитектуры реактора на быстрых нейтронах, содержащего шестиугольные корпусы.

В этом случае нижние гребенки одной зоны могут быть расположены параллельно двум сторонам ромба и разделены заданным расстоянием, а все верхние гребенки одной зоны расположены параллельно двум сторонам и разделены указанным заданным расстоянием.

Устройство удержания может содержать три продольные стяжные тяги, закрепленные на периферии дна и крышки и соединяющие дно и крышку. Эти стяжные тяги удерживают дно и крышку по существу параллельно между собой и позволяют избежать появления слишком большого перекоса между дном и крышкой, одновременно участвуя в образовании конструкции небольшого объема и небольшой массы.

Устройство удержания может также содержать установленную между дном и крышкой центральную балку, содержащую сквозной продольный канал и образующую опору для верхних устройств удержания. Предпочтительно эта балка имеет шестиугольную форму, обеспечивающую постоянство расстояний между этой центральной балкой и краями пластин, чтобы ограничить мертвые аэравлические объемы. Кроме того, указанная балка обеспечивает геометрический допуск на угловое позиционирование крышки по отношению к основанию.

Предпочтительно устройство удержания в соответствии с настоящим изобретением содержит также средства ориентации верхнего устройства удержания, дно которого должно опираться на крышку, что позволяет выравнивать установленные в устройстве удержания пластины, с пластинами, расположенными в верхнем устройстве удержания, при этом относительная ориентация позволяет выровнять пластины по всей высоте штабеля и позволяет улучшить циркуляцию газа между пластинами, благодаря образованным между пластинами каналам непрерывной циркуляции газа, имеющим по существу постоянное сечение.

Эти средства ориентации могут содержать пластинки, закрепленные на периферии крышки и выступающие в продольном направлении противоположно дну, ограничивая периметр шестиугольной формы. Они являются очень простыми в выполнении и образуют также средства преимущественного контакта с корпусом сборки.

Пластинки крепятся, например, на продольных стяжных тягах.

Устройства удержания формируют предпочтительное средство загрузки и разгрузки топливных пластин на всех этапах топливного цикла (монтаж, загрузка-разгрузка, транспортировка, хранение, переработка), что позволяет свести к минимуму количество радиоактивных отходов.

Объектом настоящего изобретения является также топливная сборка, содержащая по меньшей мере одно первое и одно второе устройства удержания в соответствии с настоящим изобретением и ядерные топливные пластины, загруженные в указанные первое и второе устройства удержания, при этом второе устройство удержания установлено на первом устройстве удержания и дно второго устройства удержания опирается на крышку первого устройства удержания.

В этом случае пластины предпочтительно содержат осевые впадины на своих продольных концах, форма которых соответствует форме зубьев. Благодаря разделению топливной сборки на сегменты, можно согласовать выгибание корпуса с относительным изгибом устройств удержания относительно друг друга.

Предпочтительно топливная сборка в соответствии с настоящим изобретением содержит основание, на которое опирается дно первого устройства удержания, и центральную стяжную тягу, закрепленную в центральной зоне основания и проходящую в продольном направлении через центральные балки и верхний упор, закрепленный на центральной стяжной тяге. Такое выполнение позволяет легко манипулировать топливной сборкой. Кроме того, центральная стяжная тяга благодаря наличию верхнего упора, закрепленного в верхней ее части, позволяет избежать смещения каркасов.

Предпочтительно топливная сборка содержит средства ориентации нижнего устройства удержания, дно которого опирается на основание, при этом средства ориентации содержат пластинки, закрепленные на периферии основания и выступающие в продольном направлении в сторону дна, ограничивая периметр шестиугольной формы. Размеры этих пластинок определяют также способность прогиба нижнего устройства удержания по отношению к основанию.

Предпочтительно топливные пластины содержат осевые впадины на своих продольных концах, форма которых соответствует форме зубьев. При этом глубина впадин превышает продольный размер зубьев, а ширина превышает ширину зубьев.

Топливные пластины могут содержать первую панель, решетку из множества стенок, соединенную с первой панелью с образованием разделенных ячеек, и по меньшей мере одну таблетку ядерного топлива, вытянутую вдоль оси между двумя противоположными гранями, при этом таблетка расположена в ячейке с радиальным зазором относительно ее стенок, а ось таблетки по существу параллельна стенкам ячейки.

Топливные пластины могут содержать вторую плоскую панель, соединенную с решеткой и расположенную параллельно и противоположно первой панели, чтобы закрывать ячейку, или вторую панель с выступающей решеткой, соответствующей по форме решетке первой панели и соединенной с ней, чтобы закрывать ячейки.

Предпочтительно решетка представляет собой сотовую структуру с шестиугольными ячейками.

Объектом настоящего изобретения является также модуль ядерного топлива активной зоны высокотемпературного ядерного реактора на быстрых нейтронах с газовым охлаждением, содержащий топливную сборку в соответствии с настоящим изобретением и корпус с продольной осью и с шестиугольным сечением, установленный вокруг топливной сборки.

Между корпусом и топливной сборкой имеется зазор, меньший на уровне пластинок, закрепленных на периферии устройств удержания, и пластинок, закрепленных на периферии основания, что позволяет избежать механических взаимодействий между топливными пластинами и корпусом в случае деформации пластин и/или корпуса.

Кроме того, для реакторов на быстрых нейтронах четвертого поколения для оптимизации их рециркуляции предусмотрено введение в топливо младших актинидов, производимых современными реакторами. Благодаря изобретению блоками топливных элементов можно легко манипулировать, при этом загрузку и разгрузку топливных элементов можно осуществлять в условиях экранированной камеры на всех этапах топливного цикла (монтаж и демонтаж комплексов, транспортировка, переработка).

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно из дальнейшего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показано устройство удержания топливных пластин в соответствии с настоящим изобретением, вид в перспективе;

на фиг.2 - то же, но устройство удержания частично заполнено пластинами;

на фиг.3 - то же, но устройство удержания полностью заполнено пластинами;

на фиг.4А - топливная пластина, приспособленная для устройства удержания в соответствии с настоящим изобретением, вид в продольном разрезе;

на фиг.4В - пластина, изображенная на фиг.4А, вид с продольного конца;

на фиг.4С - топливная пластина, изображенной на фиг.4А, вид в перспективе с пространственным разделением деталей;

на фиг.5 детально показано устройство удержания в области границы с нижним концом пластины;

на фиг.6 показаны нижний конец одной пластины и верхний конец другой пластины, установленные в устройстве удержания в соответствии с настоящим изобретением, вид в продольном разрезе;

на фиг.7 детально показана торцевая сторона устройства удержания в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.8 показан модуль в соответствии с настоящим изобретением, при этом корпус частично смещен в осевом направлении;

на фиг.9А и 9В схематично показано имитированное искривление между двумя устройствами удержания топливной сборки в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.10 детально показана верхняя часть топливной сборки в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

Показанное на фиг.1 устройство удержания ядерных топливных пластин в соответствии с настоящим изобретением предназначено для использования в едином модуле, образующем активную зону ядерного реактора на быстрых нейтронах, в частности высокотемпературного реактора на быстрых нейтронах с газовым охлаждением.

Далее описан реактор с газом-теплоносителем, следовательно, термин «аэравлический» использован для определения свойств потока и элементов в соответствии с настоящим изобретением, через которые проходит газ, в частности, каналы, ограниченные пластинами, будут называться аэравлическими каналами.

Вместе с тем, настоящее изобретение можно применять и для реакторов, охлаждаемых жидкой текучей средой, например натрием, подробное описание которых опускается. В этом случае соответствующим термином для обозначения каналов будет «гидравлический».

Следует отметить, что модуль ядерного топлива содержит, в частности, наружный корпус, образующий наружные стенки модуля, и внутреннюю конструкцию с пластинами ядерного топлива, называемую также топливной сборкой.

Согласно настоящему изобретению топливная сборка образована наложением друг на друга нескольких устройств 2 удержания, содержащих загруженные в них пластины 4 ядерного топлива. Далее пластины ядерного топлива будут называться просто пластинами 4.

Устройство 2 удержания или каркас имеет общую шестиугольную форму с продольной осью Х и содержит дно 6 в виде правильного шестиугольника, образующее нижний конец каркаса, и крышку 8 в виде правильного шестиугольника, образующую верхний конец каркаса. Дно 6 и крышка 8 соединены наружными стяжными тягами 10, параллельными оси Х и расположенными между крышкой 8 и дном 6.

Предпочтительно стяжные тяги равномерно распределены по периферии дна и крышки для обеспечения равновесного соединения между дном и крышкой. В представленном примере наружные стяжные тяги 10 выполнены в количестве трех и распределены таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение усилий при ограниченных габаритах.

Стяжные тяги представляют собой стержни большой протяженности.

В рамках данного описания протяженность определяется отношением длины детали к толщине ее сечения.

Используемые в дальнейшем направления определены на фиг.2.

Радиальное направление R определяется шириной пластины; поперечное направление Т определяется толщиной пластины и является ортогональным к осевому и радиальному направлениям.

Каркас содержит также центральную балку 12, соединяющую центр дна 6 с центром крышки 8. Эта балка 12 выполнена полой, и через нее проходит центральная тяга 14, которая будет описана ниже. Для этого в дне 6 и крышке 8 имеются центральные отверстия 15 для прохождения этой центральной тяги 14.

Центральная балка 12 может быть вставлена в шестиугольные приливы, выполненные в центральных частях дна 6 и крышки 8.

Балка 12 повышает жесткость каркаса в осевом направлении, позволяя ей выдерживать вес верхних каркасов, и фиксирует расстояние между дном 6 и крышкой 8, что позволяет избежать воздействия усилий вдоль оси Х на пластины 4.

Кроме того, она обеспечивает геометрические допуски каркаса, в частности, в отношении соосности дна и крышки, их параллельности и их относительного углового позиционирования.

Эта балка позволяет также исключить центральный мертвый объем, который повышает расход текучей среды-теплоносителя, не участвующей в охлаждении пластин.

Дно 6 и крышка 8 содержат соответственно средства 16, 18 удержания пластин.

Топливные пластины определяются длиной в осевом направлении, шириной в радиальном направлении и толщиной в поперечном направлении.

Пластины имеют форму шестигранников, предпочтительно прямоугольных параллелепипедов.

Грани больших сторон могут иметь разные формы. Они могут быть параллелограммами, например, по существу прямоугольниками, равнобедренными или неравнобедренными трапециями или прямоугольными трапециями.

Другие грани пластин могут тоже иметь эти формы.

Как правило, углы параллелепипеда предпочтительно имеют значение, близкое к 90°, и могут отклоняться от этого значения максимум на несколько градусов, например углы находятся в пределах 85°-105°.

Расстояние, отделяющее дно 6 от крышки 8, в частности расстояние между средствами 16 и 18, удерживающими одну пластину, превышает длину пластины, и это расстояние выбирается таким образом, чтобы оно обеспечивало осевые зазоры, допускающие свободную деформацию пластин, но исключающие их выход из гнезда. Далее будут приведены конкретные размеры согласно примеру осуществления изобретения.

Согласно изобретению эти средства 16, 18 удерживают пластины только в радиальном направлении и позволяют им слегка смещаться в поперечном направлении, при этом зазор составляет примерно одну десятую миллиметра.

Находящиеся в каркасе топливные пластины распределены по трем группам G1, G2, G3, в которых все пластины параллельны между собой, а пластины двух групп образуют между собой угол 60°. Далее описана группа пластин G1, но это описание можно применить также и для других групп G2 и G3.

Средства 16 удержания на дне идентичны средствам 18 удержания на крышке, поэтому в дальнейшем будут описаны только средства 16.

Каждую пластину 4 удерживают средства 16, не зависимые от средств удержания других пластин, и все эти средства являются идентичными, поэтому далее будут описаны средства 16 удержания только одной пластины.

Средства 16 удержания, показанные на фиг.5, содержат гребенку с зубьями 22, предназначенными для вхождения в выемки 24, выполненные в осевом конце 4.1 пластины 4. Зубья 22 имеют общий треугольный профиль и ширину еd. Выемки 24 ограничены дном 24.1, профиль которого соответствует профилю зубьев и боковых стенок 24.2, при этом расстояние, разделяющее внутренние стороны стенок 24.2, превышает толщину e_d. Высота зубьев 22 меньше глубины выемок 24, как показано на фиг.6.

В представленном примере гребенка содержит пять зубьев, но в зависимости от ширины пластин могут быть выполнены два, три или более четырех зубьев.

Гребенка содержит также средства, предназначенные для стопорения пластины 4 относительно гребенки.

Эти средства стопорения выполнены в виде двух язычков 26, неподвижно соединенных с зубом 22' и выполненных с возможностью опоры на одну из сторон дна 24.1 выемки 24. Упругая деформация этих язычков заставляет зуб прижиматься к другой стороне дна, стопоря пластину 4 в радиальном направлении. Упругость приливов, образованных язычками, удерживает пластину 4 прижатой к соответствующей стороне зуба.

Предпочтительно зуб 22' расположен наиболее близко к центру гребенки, за счет чего сохраняется толщина слоя газа, циркулирующего по поверхности пластины другой группы, расположенной напротив конца пластины 4, удерживаемого зубом 22'.

Как было указано выше, другие зубья обеспечивают удержание пластины в поперечном направлении, т.е. в направлении толщины. Для этого между выемками 24 и зубьями 22 имеется функциональный механический поперечный зазор для свободной деформации пластин в направлении их толщины, не затрагивающий объемной доли топлива в активной зоне. Степень поперечной свободы, обеспечиваемая этим зазором, не влияет также на качество охлаждения пластин, так как поперечный зазор составляет примерно одну десятую миллиметра при расстоянии между пластинами в 4 мм.

Следует отметить, что в другом варианте осуществления изобретения можно выполнить больший поперечный зазор для двух центральных зубьев, что позволит получить более высокую степень свободы при возможном выгибании пластин в направлении ширины, обеспечивая при этом поперечное удержание пластин в случае разрушения одного из двух главных соединений. Действительно, в случае выгибания пластин вокруг осевого направления перемещение пластины (в поперечном направлении) будет максимальным на уровне двух центральных зубьев. При увеличении поперечного зазора на уровне этих двух зубьев относительно двух наружных зубьев повышается способность выгибания, и одновременно обеспечивается соответствующее поперечное позиционирование. Кроме того, при разрушении одного из двух наружных зубьев поперечное удержание пластины обеспечивается центральными зубьями.

Предпочтительно удержание пластины в направлении гребенки при помощи одного зуба позволяет иметь только одну опорную сторону на уровне зуба, оборудованного упругими язычками, причем эта опорная сторона является противоположной стороне, оборудованной язычками. Это позволяет обеспечить позиционирование с наименьшим допуском.

Таким образом, гребенки обеспечивают удержание и соответствующее позиционирование пластин