CN100514500C - 核反应堆燃料棒 - Google Patents

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Abstract

核反应堆燃料棒(1)包括密封固定于燃料棒管状包壳(2)的下端的下端塞(10)，下端塞(10)包括在包壳(2)内侧部分(10a)，部分(10a)依次包括第一圆柱段(11)，其直径基本上等于管状包壳(2)的内径；第二圆柱段(12)，其直径小于管状包壳(2)的内径；以及第三圆柱段(13)，其直径小于管状包壳(2)的内径但大于第二个圆柱段(12)的直径。这样，在第三圆柱段(13)的外表面和包壳(8)的内表面之间形成十分之一毫米到十分之二毫米的气体通路中的径向间隙。燃料芯块柱(3)坐在下端塞(10)的内侧部分(10a)的第三圆柱段(13)的基本上平的上表面(14)上。用于气体膨胀的环形空间(16)构成补充燃料棒的贮气腔，该环形空间(16)被限定在下端塞(10)内侧部分(10a)的第二圆柱段(12)的外表面和管状包壳(2)的内表面之间。

Description

核反应堆燃料棒
技术领域
本发明涉及用水冷却特别是用压水冷却的核反应堆的燃料棒。
背景技术
用压水冷却的核反应堆包括一个由燃料组件组成的堆芯。而每组燃料组件本身是由一束燃料棒构成的，燃料棒束保持在燃料组件的骨架之中，以使呈圆柱形的形状的燃料棒的轴线相互平行。
每根燃料棒包括一个直线的圆柱形的管状包壳，该包壳的轴向长度远大于其横截面的直径。一般说来，燃料棒具有大于4米的长度，而其直径约为10毫米。燃料棒包括：在管状包壳的里面沿包壳轴向有燃料芯块堆叠形成的燃料芯块柱，包壳轴向的端部借助于端塞予以密封。在核反应堆堆芯中在燃料组件内的运行位置，燃料棒呈轴向竖直排列，以使燃料棒的第一个密封端塞是在燃料棒的下部并构成下端塞，而第二个密封端塞位于运行位置的燃料棒的上部并构成上端塞。
燃料芯块柱的第一下端坐在下端塞一部分的端面上，而下端塞的一部分在燃料棒包壳里面与包壳接合。燃料芯块柱借助于螺旋压缩弹簧保持在燃料棒里面，而压缩弹簧插于燃料芯块柱第二上端和燃料棒密封上端塞内部的端面之间。
在燃料棒制造期间，为了完成燃料棒的装填，通过使下端塞接合在管状包壳的一端中并借助于焊接将下端塞与包壳固定在一起，应尽可能地封闭燃料棒管状包壳两端的一端例如第一下端。然后，将一块在另一块之上堆叠形成柱的燃料芯块放入在包壳中，柱的最下芯块坐在燃料棒的下端塞上。然后，再将弹簧就位和固定上端塞。再后，通常通过上端塞提供的通道抽出包壳里面的气体，再将惰性气体如加压氦气充入燃料棒包壳里面，对延伸穿过上端塞的通道端部进行密封焊接，以使燃料棒以密封方式被封闭。
在燃料棒里面，燃料芯块是与减少或防止芯块氧化的加压氦气接触的。惰性气体充满包壳内的不被燃料芯块柱和保持弹簧占据的所有部分。特别是加压氦气充满在燃料芯块柱上端和上端塞内部的端部之间提供的空间，该空间内布置有保持燃料芯块柱的压缩弹簧。该空间构成气体收集装置或贮气腔。当燃料棒在核反应堆堆芯使用时，该贮气腔用来收集燃料芯块释放的气体。特别是，一些气体可能通过包含在燃料芯块中特殊元素的裂变反应形成。因此，在燃料棒包壳里边的压力因燃料芯块柱释放气体有增加的趋向，因而提供具有足够体积的贮气腔以防止燃料棒在运行期间太强大的内压是必要的。
燃料棒的芯块包括铀和钚的混合氧化物或铀和钚的氧化物的混合物(MOX燃料)，使用这种燃料棒在燃料芯块柱上部和燃料棒上端塞内部的端面之间的贮气腔体积通常不足以完全确保燃料棒在运行期间的密封性。而相当大地增加这个空间和弹簧的长度是不可能的，就上贮气腔和弹簧的这种延长来说在任何情况下都是不希望的，因为这将引起燃料棒设计的变更和要求专门制造MOX燃料棒的构成元件。
一个增加MOX燃料棒内用于气体膨胀的体积的常规方法包括在包壳里面的下端塞的上端面和燃料芯块柱的第一下端之间插入一个由不锈钢或锆合金制成的且由厚壁管构成的横向构件(cross-member)或垫块。以这种方式，MOX燃料棒包括一个上贮气腔和一个下贮气腔，而下贮气腔延伸在燃料棒下端和下端塞内部的上端之间，这样具有改进燃料芯块气体向下贮气腔扩散的优点。下贮气腔补充了燃料棒的上贮气腔，从而平衡了燃料棒的热工和水力性能，并降低了燃料棒下部的运行温度。
然而，MOX燃料棒的这种实施例具有在燃料棒工业生产期间要求对管状垫块进行生产、贮存和定位的缺点。在燃料棒制造期间，使控制生产变得更为复杂，如果希望避免制造缺陷的任何危险如遗漏垫块那么其制造工艺必须予以控制。
例如，在EP-0 169 422和JP 298 792中业已还提出在燃料棒的下端塞或上端塞中提供凹槽，凹槽在燃料棒的端部为气体增加了膨胀空间。这种在插入包壳内的端塞部分中和在包壳外的端塞部分中延伸的凹槽导致燃料棒端塞设计相当大的变更。因在端塞中机加工出的凹槽而使气体膨胀空间增加可与在包壳里边的在端塞和燃料芯块柱之间的中空横向构件结合使用。
发明内容
因此，本发明的目的是为水冷反应堆提供燃料棒。该燃料棒包括：圆柱形管状包壳；在包壳的轴向上在管状包壳里面一块在另一块上堆叠的核燃料芯块柱；第一端塞，当燃料棒处于在核反应堆中的运行位置时，此时燃料棒的包壳的轴线是竖直的，该第一端塞布置在燃料棒的下部，以使燃料棒包壳第一轴向端密封封闭；第二端塞，用于包壳的第二轴向端部的密封封闭，燃料芯块柱通过第一下端坐于称为下端塞的第一端塞的在包壳里面的内侧部分上，并借助于压缩弹簧将燃料芯块柱保持在管状包壳的里面，压缩弹簧插入在燃料芯块柱的第二上轴向端和称为上端塞的第二端塞的内端部之间。该燃料棒包括下贮气腔，该下贮气腔是在没有采用管状垫块和没有在下端塞中加工凹槽的情况下获得的。
为此，接合在管状包壳里边的下端塞的内侧部分在轴向且沿从包壳的第一端朝向第二端方向依次包括有第一圆柱部分，它的直径基本上等于管状包壳的内径；第二圆柱部分，它的直径小于管状包壳的内径；第三圆柱部分，它的直径小于管状包壳的内径并大于第二圆柱部分的直径。这样，在第三圆柱部分的侧向外表面和管状包壳的内表面之间保持有用于气体流通的径向间隙和基本上平的端面，燃料芯块柱的第一端坐于基本上平的端面之上，这样在下端塞的内侧部分的第二部分的外表面和包壳的内表面之间形成用于气体膨胀的环形空间。
按照特定的形状，可单独或结合使用：
—燃料棒的下端塞的内侧部分的第三圆柱部分的直径稍小于包壳的内径，使得在第三圆柱部分的外侧表面和管状包壳的内表面之间保持有用于组装和让气体流通的径向间隙，其大小在十分之一毫米或十分之二毫米之间；
—下端塞的内侧部分的第二圆柱部分的直径在管状包壳内径的40％和60％之间，而其轴向的长度在管状包壳内径的8和10倍之间；
—燃料芯块柱的燃料芯块的至少一部分包括钚的氧化物或铀和钚的混合氧化物。
—在第二圆柱部分轴向延伸的至少一个区域，燃料棒还包括至少一个横向构件，所述至少一个横向构件由第二圆柱部分的径向加宽的圆柱部分构成。径向加宽的圆柱部分的外径基本上等于管状包壳的内径减去组装间隙。
附图说明
为了得到对本发明更好地了解，现在将以非限制性的例子参照附图来说明按现有技术和按本发明用作MOX燃料棒的燃料棒，其中：
—图1A是按照现有技术的燃料棒的部分轴向段；
—图1B是按照现有技术的MOX燃料棒的部分轴向段；
—图2是按照本发明的燃料棒下部的部分轴向段；
—图3是按照本发明的燃料棒下端塞内部的示意性的轴向段，当端塞就位时下端塞插入在管状包壳里边。
具体实施方式
图1A示出压水核反应堆的燃料棒，总体上用“1”表示。
燃料棒1包括管状包壳2，管状包壳2包含燃料芯块柱3，燃料芯块柱3在第一轴向端用第一端塞4和在第二轴向端用第二端塞5分别予以密封。管状包壳2由锆合金管制成，其长度大于4米、内径小于10毫米。
通常呈圆柱形的燃料芯块3具有基本上等于管状包壳2的内径的直径，考虑有很小的径向间隙，当装燃料棒时该间隙在一侧允许容易地将燃料芯块接合在包壳内，并且当燃料棒在核反应堆堆芯中运行时在辐照的作用下燃料芯块膨胀情况下，该间隙使芯块的侧表面和包壳之间的相互作用减小到最低程度。
燃料芯块柱的下端(第一燃料芯块3a的下表面)坐于端塞4的内侧部分4a的基本平的端面上，而端塞4的内侧部分4a在管状包壳2里面与包壳接合。
燃料芯块3沿管状包壳的轴线7的方向在包壳2的内侧一块在另一块之上地堆叠，轴线7构成了燃料棒运行位置的竖直的轴线。
燃料芯块柱的上端由布置在燃料芯块柱上部的燃料芯块3b的上表面构成。当燃料棒封闭时，燃料芯块柱的上端距离接合在包壳2内侧的上端塞的内侧部分5a的端面有一给定的距离，从而在燃料柱的端部和上端塞5内侧部分的端表面之间提供了自由空间6。在自由空间6中布置有螺旋弹簧8。当上端塞5就位时在上端塞5的内侧部分5a的端面和燃料芯块3的柱的上端之间的螺旋弹簧被压缩。
下端塞4和上端塞5的内侧部分具有的直径基本上等于包壳2的内径，它们分别接合在包壳2的第一端部和第二端部中，并且例如用激光束焊接与包壳焊接在一起。
上端塞5焊接以后，包含在包壳2中的气体通过贯穿端塞5的通道抽出，并用加压氦气替代。当燃料棒用于核反应堆时，该加压氦气防止了燃料芯块的氧化。充加压氦气以后，借助于焊接使通道端部密封或焊接密封。
当燃料棒1在核反应堆内处于运行位置时，其轴线7是竖直的。用第一端塞或下端塞密封的燃料棒第一端在燃料棒的下部，而用第二端塞或上端塞5密封的燃料棒第二端在燃料棒的上部。
当燃料棒用于核反应堆时，在燃料棒芯块中形成的气体被释放，气体聚集于贮气腔6时，该贮气腔的体积通常足以限制压力升高到燃料棒包壳2内的过量水平。
用MOX燃料棒，也就是说棒的燃料芯块3或至少芯块的一部分包括钚的氧化物，采用单一的上贮气腔6通常发现是不够的，从而通过插入管状垫块产生下贮气腔。管状垫块有厚的壁(由于机械和热强度的原因)且置于燃料芯块柱的第一端或下端和下端塞4的内侧部分4a的端面之间。
图1B示出了管状垫块9，垫块9可限定在燃料棒1内的下贮气腔并且垫块9代替了芯块3的柱的下部中的燃料芯块。
使用这种类型的垫块或管状横向构件的缺点在上面已经说明。
图2示出了按照本发明的燃料棒的下部分，它可用作MOX燃料棒。在图1A和1B中表示按照现有技术的燃料棒以及在图2中表示按照本发明的燃料棒的下部分的对应元件用同样的附图标记表示。
按照本发明其下部分示于图2的燃料棒1不同于按照现有技术示于图1的燃料棒1，其不同之处在于形成下端塞10的形状。
按照本发明的燃料棒的下端塞10，例如通过机加工锆合金坯件有利于制造成一个整件。
如果按照本发明的燃料棒1是MOX燃料棒，也就是说，如果燃料棒的燃料芯块3包括钚的氧化物，那么将在下面说明的端塞10的形状避免必须使用垫块或管状横向构件。
按照本发明燃料棒1的下端塞10包括在下端塞就位以后插于包壳2第一端内的内侧部分10a和保留在包壳外侧的外侧部分10b。端塞10通常借助于绕燃料棒的轴线7旋转产生。外侧部分10b有倒圆的端头和可用操作抓勾来抓持的凹槽。类似于图1中所示的按照现有技术的燃料棒上端塞5的燃料棒的上端塞也包括抓持凹槽和倒圆的端头。于是燃料棒可借助于其上端和下端用具有抓勾的操作机器抓持。
当端塞就位时，端塞10插入包壳内的内侧部分10a在燃料棒和端塞的轴向7依次包括三部分11、12、13，它们通常为圆柱形且特别是它们的外径彼此不同。
部分10a的第一部分11在它的下部通过包壳2的第一端与之接合，第三部分13在包壳2内向着其第二端布置在最远的地方，这两部分的直径为基本上等于或稍小于包壳2的内径。基本上等于包壳2内径的直径在这个例子中被理解成是完全等于包壳2的内径，极其稍微地大于包壳2的内径的直径以形成端塞的紧配合，或极其稍微地小于包壳的内径的直径且该直径与内径的不同仅在于存在气体绕端塞能流过的间隙。
端塞10的中间第二部分12的直径显著地小于包壳2的内径。例如，对内径稍大于8毫米的包壳而言，则端塞10的中间部分12的直径可为约4毫米。端塞的内侧部分10a的中间部分12的直径在包壳内径的40％和60％之间为优选。
端塞10的内侧部分10a的第一部分11有两个连续的部分，其直径正如上面所限定的基本上等于包壳2的内径。
部分11的第一部分11a的直径使得当端塞就位时稍微用力使端塞插入包壳2内，以使端塞以及特别是焊肩在包壳2的端部在焊接端塞的机器中很好地就位。第一部分11也包括一个第二部分11b，其直径要在部分11的部分11b的外表面和包壳2的内表面之间提供很小的组装间隙15(例如约为1毫米的十分之一)。
端塞内侧部分10a的第三部分13具有稍小于部分11的部分11b的外径。因此，在端塞10就位后与燃料棒管状包壳2的内壁之间提供了一个间隙15，该间隙允许来自燃料芯块3的柱的气体在第三部分13的周围通过。在端塞第三部分和包壳之间的径向间隙例如约为0.15毫米，而更为普遍地是在十分之一毫米和十分之二毫米之间。第三部分13包括一个基本平的端面14，端面14上坐有MOX燃料棒的燃料芯块柱的第一块芯块或下端芯块3a。
第三部分13，作为可选的方案，其直径基本上小于包壳的内径；然而，第三部分13的直径总是基本上大于第二部分12的直径。
由于中间部分12的外径基本上小于包壳2的内径，所以在端塞10内侧部分10a的第二中间部分的外表面和管状包壳2的内表面之间提供了一个环形自由空间16。通过在端塞10的内侧部分10a的第三部分13和包壳内表面之间提供的环形空间15，该环形空间16，与包含燃料芯块3的燃料棒的空间相连通。
因此，加压气体(通常为氦气)和在运行期间由燃料芯块释放出来的气体可充满空间16。空间16为气体构成了膨胀空间以及因此构成了补充上贮气腔6的收集装置或贮气腔(该贮气腔6以与图1所示的现有技术的上贮气腔同样的方式形成)。
端塞10内侧部分10a的第二中间部分12的长度被确定成使补充贮气腔16的体积足以完成MOX燃料棒在核反应堆中运行期间关于释放气体膨胀所希望的功能。例如，该长度可为燃料棒包壳内径8到10倍。
中间部分的长度约为70mm，考虑到包壳的直径和上述的中间部分，允许被保留的构成贮气腔16的自由空间约具有3000mm3的体积。
这种类型的下贮气腔最好地完成了补充上贮气腔6的贮气腔的功能，而上贮气腔6类似于按照现有技术的燃料棒的上贮气腔。
图3简化示出包括圆柱部分11、12和13的端塞的内侧部分10a。中间部分12沿其整个长度在燃料棒下端部分提供环形空间16。
此外，作为一种变化，端塞10包括一个横向构件17，它由部分12的径向加宽部构成，而径向加宽部可优选在部分12的中心区域，该中心区域离开圆柱部分11和13的距离基本上相等的。横向构件17的外径长度等于被减去组装间隙后的包壳的内径，横向构件17引导端塞的中心部分进入包壳2中，从而允许气体通过和防止在运行期间发生包壳2过热。提供多个类似于横向构件17的横向构件是可能的，而多个横向构件沿中间部分12的长度分布。
燃料棒的下端塞包括一个大范围延伸的内侧部分10a，具有与按照现有技术的端塞完全不同的形状。然而，完成下端塞的就位和固定都与按照现有技术的燃料棒下端塞的方式一样。端塞的外侧部分10b止于与内侧部分10a的分界的肩部，沿着该分界的肩部完成密封下端塞的焊接操作，端塞的外侧部分10b类似于如图1示出的现有技术的下端塞4的外侧部分4b。
因下端塞10的内侧部分10a的延伸引起的燃料芯块柱长度的降低需要通过稍微增加核燃料的富集度予以补偿，特别是在生产MOX燃料的情况下更是如此。
由于按照本发明的燃料棒的下端塞和上端塞有完全不同的形状和尺寸，所以在制造两类型的端塞期间在它们就位时没有混乱和混淆的危险。过去已记录的许多制造差错都是由于在下端塞和上端塞之间混淆造成的。
为了保留MOX燃料棒的下贮气腔而不再使用垫块或管状横向构件，从这些垫块制造和在燃料棒制造期间的垫块就位操作及其控制方面来看，具有经济性。同时也消除了MOX燃料棒在制造期间与遗漏垫块相关联的危险。通过增加下端塞的内侧部分的中间部分的长度或减小其直径来构成燃料棒的下贮气腔，十分简单地增加了自由空间的体积。中间部分的直径可大大小于包壳的内径，该直径的降低只受在核反应堆中运行期间的燃料棒下端塞机械强度的限制。
这种新设计的下支承端塞的热机械分析表明，这种新设计遵守所有的准则。这些准则防止如下的一些损伤方式：瞬时的和不一致的过度变形、塑性失稳以及特别是端塞具有最小直径的部分的自发的和不一致的过热。
此外，按照本发明的燃料棒下端塞不引起包壳的变形，并为燃料芯块柱提供极好的支承和定位。
本发明并不严格地限于已说明的实施例。
如此，燃料棒下端塞的内侧部分可具有与已说明的不同形状，特别是对于中间部分的尺寸和形状与上面指出的尺寸和形状不同是可能的。
同样地，第一部分和第二中间部分在轴向可以有任何长度和任何形状，该形状使管状包壳的端部相对第一圆柱部分以密封的方式被封闭，而燃料芯块柱相对第三圆柱部分被支承。第三圆柱部分的直径小于包壳内径，而其长度则基本上大于上面说明的单纯的间隙。
按照本发明的燃料棒的包壳和端塞通常由锆合金制作，但是，用其他材料制做也是可能的，这取决于燃料棒的使用。
本发明不仅可用于压水核反应堆的燃料元件，也可用于水冷的核反应堆的任何燃料元件。燃料元件用棒的形式制作，它包括包壳和包壳内的燃料芯块以及上下端塞，而燃料棒则是借助于端塞将其端部密封的。

Claims (6)

1.一种水冷核反应堆的燃料棒，包括圆柱形管状包壳(2)、核燃料芯块(3)柱、第一端塞(4，10)和第二端塞(5)，核燃料芯块(3)在包壳(2)的轴向(7)上在管状包壳(2)里面一块在另一块上面堆叠而成，当燃料棒(1)处于在核反应堆中的运行位置时，此时燃料棒(1)的包壳(2)的轴线(7)是竖直的，第一端塞(4，10)布置在燃料棒(1)的下部以使燃料棒(1)的包壳(2)的第一轴向端密封封闭，第二端塞(5)用于包壳(2)的第二轴向端密封封闭，燃料芯块(3)柱通过第一下端坐于称为下端塞的第一端塞(4，10)的内侧部分(4a，10a)上，并借助于压缩弹簧(8)将燃料芯块柱保持在管状包壳(2)里边，压缩弹簧(8)插入在燃料芯块(3)柱的第二上轴向端和称为上端塞的第二端塞(5)的内侧部分的端部之间，其特征在于，接合在管状包壳(2)里边的下端塞(10)的内侧部分(10a)在轴向(7)且沿从包壳(2)的第一端朝向第二端的方向依次包括直径基本等于管状包壳(2)内径的第一圆柱部分(11)、直径小于管状包壳(2)内径的第二圆柱部分(12)以及直径小于管状包壳(2)内径而大于第二圆柱部分(12)直径的第三圆柱部分(13)，以在第三圆柱部分(13)的侧向外表面和管状包壳(2)的内表面之间保持有用于气体通过的径向间隙和基本上平的端面(14)，燃料芯块(3)柱的第一端坐于平的端面(14)上，这样在下端塞(10)的内侧部分(10a)的第二部分(12)的外表面和包壳(2)的内表面之间形成用于气体膨胀的环形空间(16)，所述环形空间的体积根据运行期间燃料棒中的气体膨胀来确定。
2.按照权利要求1的燃料棒，其特征在于，燃料棒(1)的下端塞(10)的内侧部分(10a)的第三圆柱部分(13)的直径使得在第三圆柱部分(13)的外侧表面和管状包壳(2)的内表面之间保持有用于组装和让气体流通的径向间隙(15)，其大小在十分之一毫米和十分之二毫米之间。
3.按照权利要求1的燃料棒，其特征在于，下端塞(10)的内侧部分(10a)的第二圆柱部分(12)的直径在管状包壳(2)内径的40％和60％之间，而其轴向长度在管状包壳(2)内径的8倍和10倍之间。
4.按照权利要求1的燃料棒，其特征在于，燃料芯块柱的燃料芯块(3)的至少一部分包括钚的氧化物或铀和钚的混合氧化物。
5.按照权利要求1的燃料棒，其特征在于，在第二圆柱部分(12)轴向延伸的至少一个区域，燃料棒还包括至少一个横向构件(17)，所述至少一个横向构件(17)由第二圆柱部分的径向加宽的圆柱部分构成，径向加宽的圆柱部分的外径基本上等于管状包壳(2)的内径减去组装间隙。
6.一种制造按照权利要求1-5中任一项的燃料棒的方法，包括根据运行期间燃料棒中的气体膨胀来确定环形空间的体积的步骤。
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