Дистанционирующие решетки предназначены для обеспечения заданного взаимного расположения твэлов друг относительно друга.
Работоспособность твэлов напрямую зависит от надежного их дистанционирования в пучке твэлов. При выборе способа дистанционирования твэлов в пучке и отработке конструкции дистанционирующих решеток решались следующие задачи:
- определение количества дистанционирующих решеток в пучке твэлов (шаг по длине пучка);
- разработка способа крепления дистанционирующих решеток в пучке твэлов;
- минимизация паразитного захвата нейтронов;
- минимизация гидравлического сопротивления;
- определение площади касания;
- обеспечение равномерности размещения твэлов в поперечном сечении пучка;
- обеспечение длительной работоспособности (отработка исходной величины натяга);
- обеспечение технологичности конструкции.
При создании дистанционирующей решетки в проекте кассет предпочтение было отдано дистанционирующей решетке планочной конструкции по аналогии дистанционирования пучков труб в теплообменном оборудовании. Однако было рассмотрено множество вариантов по профилю планки, по числу ярусов. Некоторые из проверяемых профилей планок приведены на рисунке:
По результатам гидравлических испытаний принята планка в виде пластины толщиной 1,5 мм с закругленными кромками. Высота всех типов планок принята 8 мм — примерно соответствует диаметру твэла. Также по результатам гидравлических испытаний для кассет ВВЭР-1 предпочтение было отдано четырехъярусной решетке, вместо шестиярусной, в которой планки по высоте не перекрывают друг друга. С целью снижения паразитного захвата нейтронов в качестве конструкционного материала для дистанционирующих решеток применен циркониевый сплав.
Количество дистанционирующих решеток в пучке твэлов было определено экспериментальным путем. При натурных расходах воды пучок твэлов не повреждался длительное время при шаге размещения дистанционирующих решеток равном 250 мм. При этом каждый твэл механически закреплялся шплинтующей проволокой в нижней опорной решетке, а вверху — в верхней решетке наконечником твэла с компенсационным зазором для температурных удлинений и радиационного роста твэлов. Промежуточные варианты: шаг более 250 мм, закрепление пучка твэлов верхней частью, закрепление пучка только нижней частью и другие варианты приводили к разрушению пучка твэлов в первые 100 часов ресурсных испытаний.
В дистанционирующей решетке планочной конструкции контакт с твэлом осуществляется по линии, что не приводит к значительным тепловым искажениям. Это подтвердил опыт эксплуатации кассет реактора ВВЭР-1.
Значительным прогрессом в повышении надежности дистанционирования твэлов в пучке, уменьшении гидравлического сопротивления, снижения паразитного захвата нейтронов явилось использование в кассетах ВВЭР дистанционирующей решетки ячеистого типа. Дистанционирующая решетка представлена на рисунке:
В первоначальных проектах кассет использовалась дистанционирующая решетка, ячейки которой выполнялись из тонкостенных труб из нержавеющей стали, например таким методом, как лазерная резка металла в спб. Причем эти решетки обода не имели. В результате проведенных расчетных и экспериментальных обоснований нержавеющая сталь в последствии была заменена на циркониевый сплав. Дистанционирующие решетки ячеистого типа с ободом стали использоваться в кассетах всех ВВЭР. Крепление дистанционирующих решеток в пучках кассет для реакторов средней мощности осуществляется механически на центральной трубе.