CN101156212B - 用于压水反应堆的燃料元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于核反应堆的燃料元件，包括一个燃料棒束、至少一个具有多个周围以至少一个由一种第一材料构成的板条部分为界的小室的间隔件和多个分别通过一个小室并轴向固定在其上的由一种第二材料构成的导管，其中第一和第二材料具有不同的热膨胀。导管与间隔件之间的连接如下实现：在导管上直接或间接地固定一些第一和第二突出部，其中第一突出部设置在一个第一轴向位置而第二突出部设置在一个第二轴向位置，各突出部分别嵌入到一个打通一个板条部分的窗口，同时构成一个轴向起作用的咬边。

Description

用于压水反应堆的燃料元件

技术领域

本发明涉及一种用于压水反应堆的燃料元件。 

背景技术

一种这样的燃料元件包括一个燃料棒束、至少一个具有多个例如正方形形状的由至少一个由一种第一材料构成的板条部分限定边界的小室的间隔件和多个分别通过一个小室由一种第二材料构成的导管。各间隔件轴向固定在各导管上。如果间隔件和导管由锆合金构成，则通过焊接的连接是可能的。但如果所说的各构件之一由因科镍合金(Inconel)或钢构成而另一构件由一种锆合金例如锆锡合金(Zircaloy)制造，则不考虑焊接连接。此外成问题的是，所述各材料具有不同的热膨胀系数和与之相应的不同的热膨胀。在一个燃料元件加热到工作温度时，可能因此在熔焊连接和钎焊连接处产生应力。形锁合的连接在燃料元件加热时易于不再如在冷态下那样地牢固。 

在由DE 2 259 495 A和DE 26 05 594已知的燃料元件中，导管与间隔件之间的连接这样构成，以致由热引起的相对膨胀不减弱所述连接的强度。这是这样地达到，即在导管上直接或间接地固定一些第一和第二突出部，其中一个第一突出部设置在一个第一轴向位置而一个第二突出部设置在一个第二轴向位置并且各突出部分别嵌入到一个打通一个板条部分的窗口中。 

发明内容

由此出发，本发明的目的是，建议一种用于压水反应堆的燃料元件，其中由具有不同的热膨胀的材料构成的间隔件和导管按一种可选择的方式相互连接，而且特别由此至少减小在窗口区域内的材料变形。 

按照本发明，通过一种在导管与间隔件之间的连接达到该目的，其中在导管热膨胀更大的情况下各突出部的相互远离的侧面和在一个 间隔件或一个构成其小室的板条部分热膨胀更大的情况下各突出部的相互面对的侧面分别与一个窗口的一个止挡区域配合作用。借此确保，在由加热引起的在间隔件与导管之间的相对运动中，在所述各部件之间的机械连接不会变松，而相反会变得更牢固，因为各突出部更牢固地压到窗口的相应的止挡区域上。因此不需要在组装状态下亦即在室温下就已达到后来在工作状态下的最终强度。一个在组装以后在突出部与窗口的止挡区域之间存在的微小的间隙同样最迟在达到工作温度时消失。在燃料元件加热时，在间隔件与导管之间的相对运动可以导致一个窗口的止挡区域的变形。但通过一个在室温下存在的在各突出部与各止挡区域之间的间隙可以将该变形保持很小。通过一个窗口的一个止挡区域具有至少一个倾斜于间隔件或一个导管的纵向方向延伸的侧面的斜边的方式，将减小或完全防止在一个窗口的区域内的更强的材料变形，该斜边与一个突出部一起构成一种滑键连接。随着在间隔件与导管之间的渐增的相对运动，这种类型的连接由于楔效应随着渐增的加热而变得更牢固。通过斜边的倾斜程度，可以对在相互组合的材料的热膨胀性能方面或多或少强烈明显的差异进行匹配。也可以这样阻止一个板条部分在窗口边缘区域的变形，即构成一个具有一个与倾斜区域配合作用的斜面的突出部。借此加大相互的支承面并与之相应地分配作用到一个斜边上的力。由此达到的较小的单位面积压力使一个板条部分在斜边区域产生相应较小的变形。 

在另一优选的实施形式中设定，一个突出部的所述斜面附加地具有一个沿径向方向的倾斜度并且沿圆周方向至少部分地背面嵌接一个窗口的斜边，其中在板条部分与导管之间相对运动时对板条部分施以一个径向向内作用的分力。按这种方式，一个板条部分在间隔件与导管之间相对运动时由于所述的力作用被压向导管的圆周表面。此外还阻止了一个板条部分在越过突出部与窗口之间的轴向起作用的咬边情况下径向向外拱起。 

原则上可设想，将各突出部直接设置在导管上，这些突出部例如借助于一个冲头从圆周表面中径向压出。但在一种优选的实施形式中设定，各突出部不直接连接于导管，而由一个上部的和下部的套筒携带，各套筒沿一个导管移动并且在一个间隔件的区域内轴向固定地包围导管。优选通过焊接实现套筒在导管上的固定，其前提是套筒和导管由一种可相互焊接的材料构成，例如两者由不锈钢构成。通过带有突出部的套筒减轻组装的负担。将各套筒首先在上面和下面固定在一间隔件上，即各套筒插入一个小室中直到各突出部嵌入到各板条部分的窗口中。随后将一导管插过在间隔件上固定的各套筒中。由于各突出部应该以轴向起作用的咬边穿过一个窗口，所以两个直径上相对置的突出部的锁键开口度必然大于一个例如正方形的间隔小室的净宽。为了使一个套筒能够插入到一小室中，因此必须将各板条部分首先径向向外扩大。在一种优选的实施形式中现在设定，各突出部不直接设置在各套筒的外圆周上而设置在一些臂的外面上，各臂从一个套筒的面向间隔件的端面轴向伸出。在组装时径向向内挤压各臂，从而套筒可以以其各臂作前导插入到一个小室中。当各突出部已到达窗口时，各臂径向向外弹出，同时各突出部背面嵌接窗口。 

在另一优选的实施形式中设定，一个间隔件具有矩形的由四个板条部分构成的各小室，并且在一个套筒上具有四个分别相对于一个板条部分居中定位的臂，其中各板条部分具有一个从其上部的和一个从其下部的边缘轴向伸出的径向扩大的凹槽区域，为凹槽区域配置的臂轴向和径向插入到凹槽区域中并且以其突出部嵌入到一个窗口中。 

在另一优选的实施形式中，同样设有一个具有矩形的、由四个板条部分构成的各小室的间隔件。但套筒这样设置，使其四个臂分别朝小室角部那边定位。在每个板条部分的小室角部中设置有一个上部的和下部的窗口，其中，一个臂的突出部同时嵌入到两个上部的或两个下部的窗口中。该实施形式的优点例如在于，一个板条部分在小室角部比在其中间部分更为稳定并且与之对应地由一个突出部在工作状态下施加的力特别无更大变形或扭曲地保持较好的位置。此外有利的是，一个板条部分的中间部分保持空着并且该位置例如可以用于配置一个用来径向支承一个燃料棒的弹簧元件。 

附图说明

现在参照附图更详细地说明本发明。其中： 

图1    一个压水反应堆的一个燃料元件的透视图； 

图2    第一实施例的一个局部的透视图； 

图2A   图2的实施例的一种变型； 

图3    沿图2中箭头III的方向局部剖开的平面图； 

图4    第二实施例的一个局部的透视图； 

图5    沿图4中箭头V的方向的平面图； 

图6    按图5中线VI-VI截取的纵剖面图； 

图7    按图5中线VII-VII截取的横剖面图； 

图8    第三实施例的一个局部的透视图； 

图9    一个套筒的透视图； 

图10   图9的套筒的第二透视图； 

图11   图9的套筒的侧视图； 

图12   按图11中的线XII-XII截取的横剖面图； 

图13   按图11中的线XIII-XIII截取的横剖面图； 

图14   按图8中的线XIV-XIV截取的横剖面图。 

具体实施方式

图1中所示的一个压水反应堆的一个燃料元件包括一束大量的燃料棒1，它们由多个间隔件2在侧向固定。燃料元件1还包括多个导管3，各导管3和各间隔件2由不同的不可相互焊接的具有不同的热膨胀的材料构成。在按图2、4和8的实施例中，导管由一种比间隔件材料具有更大热膨胀的材料构成。导管3由不锈钢或一种镍合金例如因科镍合金构成而间隔件2由一种锆合金例如锆锡合金构成。在图2A的实施例中情况是相反的。在这里间隔件具有更大的热膨胀，亦即例如由因科镍合金或不锈钢构成。反之导管3由锆锡合金等制造。在全部的实施例中一间隔件基本上由交叉设置的各板条4组成，同时由四个板条部分6构成一间隔件的一小室5。各间隔件2沿轴向方向固定在各导管3上。为此目的，在一个上部的第一轴向位置I和在一个下 部的第二轴向位置II分别径向突出四个第一突出部7或第二突出部8。突出部7、8沿圆周方向均匀地保持间距并且通过导管3的管壁的一个径向向外定向的压凸构成。第一和第二突出部7、8彼此具有相同的转位并且构成大致榫舌形的。突出部7、8设置在一小室内并且通过打通板条部分6的窗口9，同时构成一个轴向起作用的咬边。 

在加热到工作温度时，导管3的材料比间隔件2的锆合金更强地膨胀。关于上部的轴向位置I第一突出部7相对板条部分6由此产生一向上或向箭头10的方向的相对运动，而关于下部的轴向位置产生一向下或向箭头12的方向的相对运动。突出部7、8同时压向一个止挡区域，其在当前的情况下由窗口9的各斜边13构成。各斜边13倾斜于导管3的纵向中心线14定位。轴向位置I的各斜边13同时形成一向箭头12的方向张开的锐角而轴向位置II的各斜边形成一向箭头10的方向张开的锐角。随着导管3向箭头10和12的方向的渐增的相对运动，突出部7、8以其指向箭头10或12的方向的各侧边压向窗口9的各斜边13。突出部7、8与各斜边13以一种滑键连接的方式配合作用。随着导管3的渐增的相对热膨胀一个突出部7、8被显著地压进窗口9的变窄的区域内。因此间隔件与导管3之间的连接在加热时变得更牢固。 

图2A的实施例与按图2的那个的区别在于，导管的材料比间隔件的材料具有更小的热膨胀。导管3例如由因科镍合金或不锈钢构成，反之间隔件由一种锆合金例如锆锡合金构成。在加热到工作温度时，膨胀情况是相反的。上部的轴向位置I的突出部7发生相对间隔件3向下或向箭头15的方向的相对运动而下部的轴向位置II的突出部8发生向上或向箭头21的方向的相对运动。关于导管3的纵向中心线14构成的上部的窗口9的各斜边13a形成一向上或向箭头21的方向张开的锐角而下部的窗口9的各斜边13a形成一向下或向箭头15的方向张开的锐角。因此导管与间隔件2之间的不同的热膨胀导致窗口9以其两斜边13a压向突出部7、8。 

在图4和8的实施例中，第一和第二突出部7、8直接连接于导管 3。在上面和下面紧接一间隔件2的区域导管分别由一套筒16轴向固定并且基本上无间隙地包围。各套筒16通过焊接固定在导管3上并且同样由因科镍合金或不锈钢或由一种与这些材料可焊接的材料构成。在各套筒16的面向间隔件2的端面32成型多个臂17，其沿轴向方向伸出。各臂17由套筒壁切出并且在其自由端设有突出部7、8，其由臂外面径向凸出。各臂17的内面按套筒16的内壁弯曲并且与之相应地在组装状态下贴靠在导管3的圆周表面上。 

在图4的实施例中，各套筒16位于相对间隔件2的一个小室5的一个这样的转位，即其各臂均相对于一个板条部分6大致居中设置。各板条部分6的面向各一个套筒16的上部的或下部的区域径向向外扩大并且构成一个凹槽区域18，在其中轴向和径向伸进各臂17。凹槽区域18的宽度大于臂17的宽度。在凹槽区域18的下方或上方，由一个窗口9打通板条部分6。该窗口具有一个矩形的横截面形状并且以其纵向方向横向于燃料元件1或横向于导管3的纵向中心线14延伸。在各臂17的自由端上成型的突出7、8的纵向截面是楔形的，同时其具有一个远离导管3圆周表面的并切向于该圆周表面延伸的斜面19。突出部7、8穿过窗口9并且以其斜面19贴靠在凹槽区域18的内边缘20上。凹槽区域18或内边缘20和斜面19同样以一滑键连接的方式配合作用。在导管3由热引起膨胀时，突出部7、8或其斜面19向箭头10或12的方向移动。同时各斜面19被推到内边缘20上，其随着渐增的加热导致导管3与间隔件2之间的连接的加固。 

为了组装首先将两套筒16在上面和下面套装到一间隔件上。由于两个直径上相对置的突出部的锁键开口度22(图6)大于两个直径上相对置的凹槽区域18的锁键开口度23必须使各臂17在一个套筒16插入间隔件2中之前径向向内弯曲。另一可插入套筒16的可能性在于，将各臂17的宽度选择成使其位于间隔件2的小室角部的位置。因此将各套筒16在插入时保持在一个相对于其额定转位转过45°的位置。在各套筒16大致已达到其轴向额定位置以后将套筒转动45°，同时突出部7、8嵌入到窗口9中。为了便于实施，符合目的的是，窗口9伸进 小室角部24。为了便于将套筒16插入一间隔件2中，可设想，将突出部7、8的端面25构成为前导斜面，此时其与一个板条部分6或一个凹槽区域18的外边缘配合作用，结果是使一臂17径向向内弯曲并且套筒16向一个小室5的插入是可能的。 

图8至13中示出一个实施例，其中一间隔件2包括正方形的小室5在一个导管3上的固定借助于各套筒16来实现，在其面向间隔件2的端面32轴向伸出多个臂17。在这里各臂17也由套筒壁切出并且在其自由端在外面设有一突出部7或8。在组装状态下各臂17伸进间隔件2的各小室角部24。在一个板条部分6的每一小室角部24在上部的轴向位置I和在下部的轴向位置II分别设置一个窗口9。因此总共由四个窗口9打通一个板条部分6。窗口9的与突出部7、8配合作用的止挡区域通过其各内边缘构成，它们构成为斜边27。一个斜边27与一个导管3的纵向中心线14形成一个向上(箭头10)或向下(箭头12)张开的锐角。一臂17的突出部7、8同时嵌入到一小室角部24的两个上部的或两个下部的窗口中。 

一个套筒16和特别是突出部7、8的更详细的构造可最好地由图9至12看出。各臂17的各侧面28相对于套筒16的圆周表面并不沿径向方向而沿切向方向延伸。如特别由图12可看出的，各侧面28总共形成一个四方，其锁键开口度29稍小于一个小室4的净宽30。一个套筒16可以插入一间隔件2中最大直到其设有各臂17的端面32支承在各板条4或板条部分6上。突出部7、8基本上是圆形环状的径向从各壁17的外面凸出的加厚。突出部7、8的外面31是一圆柱表面的部分，该圆柱表面同心包围套筒16的圆周表面。突出部7、8的各侧面构成为斜面33，其关于一个套筒16的纵向中心线34或一个导管3的纵向中心线14形成一向上(箭头10)或向下(箭头12)张开的锐角。在组装状态下，突出部7、8以其各侧面区域35穿过两个邻近于一个小室角部24的窗口9。同时突出部7、8的各斜面33与窗口9的各斜边27以一种滑键连接的方式配合作用。为了各臂17包括突出部7、8嵌进小室角部24，突出部7、8不能太宽地从套筒16的外圆周表面凸出。因此各斜面33的径向膨胀是比较小的，从而存在危险，即在由加热引起导管3膨胀时，一个斜面33未进入与斜边27相嵌接。为了防止这种情况，各斜面33朝一个径向平面看去这样定位，使得在导管3与板条部分6之间沿箭头方向10或12相对运动时，一个突出部7、8将一个径向向内定向的分力施加到一个斜边27上。因此在加热状态下不仅沿轴向方向而且沿径向方向加强导管3与间隔件2之间的连接的强度。

大致如以上所述进行组装。将各套筒16在上或下面插入一个小室中，同时各臂17向小室角部那边定位。为了便于各臂17的径向向内定向的弯曲，其端面构成为前导斜面36。 

Claims (10)

1.用于核反应堆的燃料元件，包括一个燃料棒束、至少一个具有多个周围以至少一个由一种第一材料构成的板条部分(6)为界的小室(5)的间隔件(2)和多个分别通过一个小室(5)并轴向固定在其上的导管(3)，这些导管由一种具有不同于第一材料的热膨胀的第二材料构成；其中，为了连接导管(3)与间隔件(2)，

在导管(3)上直接或间接地固定一些第一和第二突出部(7、8)，其中第一突出部(7)设置在一个第一轴向位置(I)而第二突出部(8)设置在一个第二轴向位置(II)，并且

突出部(7、8)分别嵌入到一个打通一个板条部分(6)的窗口(9)中，同时构成一个轴向起作用的咬边，

其特征在于，在导管(3)热膨胀更大的情况下各突出部(7、8)的相互远离的侧面和在一个板条部分(6)热膨胀更大的情况下各突出部(7、8)的相互面对的侧面分别与窗口(9)的一个止挡区域配合作用，该窗口的止挡区域具有至少一个倾斜于间隔件(2)或导管(3)的纵向方向延伸的斜边(13、27)，该斜边与一个突出部(7、8)一起构成一种滑键连接。

2.按照权利要求1所述的燃料元件，其特征在于，一个突出部(7、8)具有一个与斜边(13、27)配合作用的斜面(19、33)。

3.按照权利要求2所述的燃料元件，其特征在于，斜面(33)附加地具有一个沿径向方向的倾斜度并且沿圆周方向背面嵌接斜边(27)，使得在板条部分(6)与导管(3)之间相对运动时对板条部分(6)施以一个径向作用的分力。

4.按照权利要求1至3之一所述的燃料元件，其特征在于，导管(3)在一个间隔件(2)的区域内由一个上部的和一个下部的套筒(16)轴向固定地包围，其中上部的套筒(16)带有第一突出部(7)而下部的套筒带有第二突出部(8)。

5.按照权利要求4所述的燃料元件，其特征在于，从一个套筒(16)的面向间隔件(2)的端面(32)轴向伸出多个臂(17)，其中突出部(7、8)设置在各臂的外面上。

6.按照权利要求5所述的燃料元件，其特征在于，各臂(17)的内面贴靠在导管(3)的圆周表面上。

7.按照权利要求5所述的燃料元件，其特征在于，间隔件(2)具有矩形的、由四个板条部分(6)构成的各小室(5)，并且在一个套筒(16)上具有四个分别相对于一个板条部分(6)居中定位的臂(17)，其中板条部分(6)具有一个从其上部的和一个从其下部的边缘轴向伸出的径向扩大的凹槽区域(18)，为凹槽区域配置的臂(17)轴向和径向插入到凹槽区域中并且以其突出部(7、8)嵌入到一个窗口(9)中。

8.按照权利要求5所述的燃料元件，其特征在于，间隔件(2)具有矩形的、由四个板条部分(6)构成的各小室(5)，并且在一个套筒(16)上具有四个分别朝小室角部(24)那边定位的臂(17)，并且在每个板条部分(6)的小室角部(24)中设置有一个上部的和一个下部的窗口(9)，其中，一个臂(17)的突出部(7、8)同时嵌入到一小室角部(24)的两个上部的或两个下部的窗口(9)中。

9.按照权利要求6所述的燃料元件，其特征在于，间隔件(2)具有矩形的、由四个板条部分(6)构成的各小室(5)，并且在一个套筒(16)上具有四个分别相对于一个板条部分(6)居中定位的臂(17)，其中板条部分(6)具有一个从其上部的和一个从其下部的边缘轴向伸出的径向扩大的凹槽区域(18)，为凹槽区域配置的臂(17)轴向和径向插入到凹槽区域中并且以其突出部(7、8)嵌入到一个窗口(9)中。

10.按照权利要求6所述的燃料元件，其特征在于，间隔件(2)具有矩形的、由四个板条部分(6)构成的各小室(5)，并且在一个套筒(16)上具有四个分别朝小室角部(24)那边定位的臂(17)，并且在每个板条部分(6)的小室角部(24)中设置有一个上部的和一个下部的窗口(9)，其中，一个臂(17)的突出部(7、8)同时嵌入到一小室角部(24)的两个上部的或两个下部的窗口(9)中。

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