CN101228591A - 用于压水核反应堆的燃料元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于压水核反应堆的燃料元件(2)，其中，许多沿纵向(4)延伸的燃料棒(6)在多个轴向彼此隔开距离的间隔件(8－I、8－II)内导引，上部区域(II)的间隔件(8－II)沿垂直于纵向(4)的横向(16、18)比下部区域(I)的间隔件(8－I)具有更小的流动阻力。

Description

用于压水核反应堆的燃料元件
技术领域
本发明涉及一种用于压水核反应堆的燃料元件。
背景技术
由许多检验结果得知，压水核反应堆的燃料元件在其使用过程中弯曲。其可能的原因例如是热膨胀时的各向异性或通过放射性射线诱发的燃料棒包壳管或控制棒导管的纵向生长。所述的挠曲在不利的情况下可能导致控制棒导管难以进入或导致在更换燃料元件时的问题。此外基于在堆芯(Kern)内在一些确定的位置上的系统性挠曲，在堆芯的一些确定的然而在许多情况下未知的位置上可能在各个燃料元件之间或在那些处于堆芯边缘和形成堆芯外围的燃料元件之间存在增大或变小的间隙，它们影响燃料-慢化剂之比。
图7中的曲线描述了一种这样的在实际中观察到的挠曲或弯曲。在此曲线图中，量纲为mm的挠度d与量纲为m的燃料元件从棒的下部固定板起测量的高度h之间的关系，如针对辐射的18×18燃料元件得出的那样。由图可以看出，在这里基本上涉及一种C-弧形挠曲(基本模式)，它直至挠曲到一定程度与更高级的模式，主要是形式上为S-形挠曲的高一级的模式叠加。为了降低这种挠曲的程度，在先有技术中试图设计机械上更加稳定的燃料元件和减小压紧力。
与之不同，在WO2005/059924A2中建议，通过使用结构上不同设计的边板有针对性地影响作用到燃料元件上的力，企图以此方式尽管产生挠曲仍能最佳地设计堆芯。
发明内容
现在本发明的目的是提供一种燃料元件，它在运行时具有减小的挠度。
按本发明，上述目的通过具有权利要求1特征的燃料元件达到。在这种燃料元件中，许多沿纵向延伸的燃料棒在多个轴向彼此隔开距离的间隔件内导引，其中，上部区域的间隔件沿垂直于纵向的横向比下部区域的间隔件具有更小的流动阻力(横向流动阻力)。
在这里本发明基于下述观察到的现象：沿燃料元件的纵向或轴向流动的冷却水基于前言所述的燃料元件的C-弧形挠曲产生横向流动分量。在燃料元件的下部区域内，也就是在其中沿流动的冷却水方向看的挠曲亦即与理想垂线偏移的程度逐渐增大的区域内，这些垂直于垂线延伸的横向流动分量与基于在偏移最大值上方的区域内现在偏移逐渐减小所形成的横向流动分量方向相反地定向。
按本发明一项特别简单而有利的设计，在一个其边缘由边板构成的间隔件中，上部区域和下部区域的间隔件的不同的横向流动阻力采取下述措施造成，即，上部区域的间隔件的边板沿横向看比下部区域的间隔件的边板覆盖更小的面积。其结果是导致显著减小在上部区域中的间隔件的横向流动阻力。
作为其补充，按本发明另一项优选的设计规定，在一个包括多个相互交叉的内板的间隔件中，上部区域的间隔件的内板沿横向看也比下部区域的间隔件的内板覆盖更小的面积。采取这一措施相对于下部区域的间隔件的“通透度”进一步提高了上部区域的间隔件的“通透度”。
更小的面积覆盖原则上可以这样实现：上部区域的间隔件的边板或内板的高度小于下部区域的间隔件的边板或内板的高度。
作为替换或对其补充，上部区域的间隔件的边板和必要时还有内板具有孔，它们大于必要时设在下部区域的间隔件的边板和内板中的孔。但原则上还可以设想一种实施形式，其中仅上部区域的边板和必要时还有内板具有孔。
附图说明
下面参见附图进一步说明本发明。其中：
图1挠曲的燃料元件的原理示意图；
图2、3分别为下部区域或上部区域的按本发明的间隔件的局部示意透视图；
图4同样为上部区域的间隔件的示意图；
图5、6同样分别为下部区域或上部区域的间隔件的局部简化的透视图；以及
图7表示挠度d与燃料元件的高度h之间关系的曲线图。
具体实施方式
按图1，压水核反应堆的燃料元件2在工作状态下具有形式上为C-弧形挠曲的变形，其中许多沿轴向或纵向4延伸的燃料棒6在多个轴向彼此隔开距离的间隔件8-I、8-II内导引，所述变形由弹性部分和随使用时间延长而逐渐增加的塑性部分组成。因为燃料元件2不是被一个箱子包围，因此在燃料元件2上沿在相邻燃料元件之间向上流动的冷却水K可以在相邻间隔件8-I、8-II之间流入燃料元件2内并且可以实现所期望的冷却水的水平方向的横向交换。
在形式上为(镜像反映)C形挠曲的燃料元件2中，现在基于其弯曲的形状造成系统性的横向流动Q，它们在下部区域I内与在上部区域II内形成的横向流动Q方向相反。在下部区域I内形成的横向流动将一个力施加到燃料元件2上，它们促使在该下部区域I内的挠曲程度减小，而在上部区域II内反方向的横向流动Q促使挠曲增大，从而在实际中导致开头借助图7说明的C-弧形挠曲与S形挠曲的叠加。
因此在燃料元件2的上部区域II内产生的横向流动Q导致不稳定特性，因为其程度继而由其施加到燃料元件2上的力随着挠度的增加而同样逐渐增大。
现在本发明考虑问题的基础是，可以减小在上部区域II内产生的力继而可以减小不稳定和构成塑性变形的趋势，只要保证设在上部区域II内的间隔件8-II针对横向流动Q比处于下部区域I内的间隔件8-I提供更小的流动阻力。换句话说：在下部间隔件8-I中对横向流动有高的阻力是有利的，因为通过这些横向流动引起的力减小挠曲，而在上部区域II内施加到间隔件8-II上的横向力应尽可能小，以便在那里使它对挠曲程度的影响基本上降到最低。
图1中描述一种状况，此时在下部区域I与上部区域II之间的界限没有准确地在燃料元件2中心延伸，所以在此实施例中，在九个间隔件8-I、8-II的情况下，五个下部间隔件8-I配属于下部区域I，而其余四个间隔件8-II配属于上部区域II。取决于设备具体的燃料元件类型，在下部区域I与上部区域II之间的界限不同并且应例如处于其中存在挠曲最大值的区域内。
按图2，下部区域I的一个间隔件8-I包括多个相互交叉的内板10。间隔件8-I的边缘由边板12构成。通过相互交叉的内板10和边板12形成正方形栅格14，燃料棒6穿过它们导引。在简化的图中，为了视图清晰的原因没有示出设在内板和边板10或12上分别用于支承燃料元件的榫舌和弹性元件以及必要时存在的导流或旋流片或在双壁式间隔件中存在的、轴向延伸的流动通道。
现在由图可以看出，下部区域的间隔件8-I的边板12和内板10是封闭的，也就是说，没有通孔并以此方式沿任何横向16、18看覆盖更大的面积并具有高的流动阻力，所以在作为燃料元件挠曲的结果而形成的其中一个边板的斜度或倾斜位置，垂直流动的冷却水上相对于流出的冷却水施加一个大的横向力，它试图补偿所述挠曲。
相比之下，按图3，在上部区域的间隔件8-II中规定，除结构高度相同外，不仅内板10而且边板12都设有孔20，它们造成的结果是，与间隔件8-1(图2)相比沿横向具有更小的流动阻力并且冷却水就是在间隔件8-II中也可以横向流动，从而相应地减小由冷却水施加到间隔件8-II上的横向力。
与图3所示实施形式不同，也可以按图4达到减小上部区域的间隔件8-II的覆盖度，即，减小内板10或边板12的高度h-II。在图中借助虚线示出的具有更大高度h-I的下部区域的间隔件8-I象征性地说明减小了的高度h-II。
在按图5和6的实施形式中，不仅下部区域的间隔件8-I而且上部区域的间隔件8-II均在边板12内含有孔20-I或20-II，其中在这种情况下，上部区域的间隔件8-II的孔20-II的面积大于下部区域的间隔件8-I的孔20-I的面积。作为图5和6所示实施形式的补充，内板10也可以设有孔，即使在这种情况下，设在下部区域的间隔件的内板中的孔也小于设在上部区域的间隔件8-II的内板中的孔。

Claims (7)

1.用于压水核反应堆的燃料元件(2)，其中，许多沿纵向(4)延伸的燃料棒(6)在多个轴向彼此隔开距离的间隔件(8-I、8-II)内导引，其中，上部区域(II)的间隔件(8-II)沿垂直于纵向(4)的横向(16、18)比下部区域(8-I)的间隔件(8-I)具有更小的流动阻力。
2.按照权利要求1所述的燃料元件，其特征在于，间隔件(8-I、8-II)的侧边由边板(12)构成，上部区域(II)的间隔件(8-II)的边板(12)沿横向(16、18)看比下部区域(I)的间隔件(8-I)的边板(12)覆盖更小的面积。
3.按照权利要求2所述的燃料元件，其特征在于，间隔件(8-I、8-II)包括多个相互交叉的内板(10)，其中，上部区域(II)的间隔件(8-II)的内板(10)沿横向(16、18)看比下部区域(I)的间隔件(8-I)的内板(10)覆盖更小的面积。
4.按照权利要求2或3所述的燃料元件，其特征在于，仅上部区域(II)的间隔件(8-II)具有带孔(20)的边板(12)。
5.按照权利要求2或3所述的燃料元件，其特征在于，所有间隔件(8-I、8-II)都具有带孔(20)的边板(12)，其中，上部区域(II)的间隔件(8-II)的边板(12)的孔(20)的总面积大于下部区域(I)的间隔件(8-I)的边板(12)的孔(20)的总面积。
6.按照权利要求2至5之一所述的燃料元件，其特征在于，仅上部区域(II)的间隔件(8-II)具有带孔(20)的内板(10)。
7.按照权利要求2至5之一所述的燃料元件，其特征在于，所有间隔件(8-I、8-II)都具有带孔(20)的内板(10)，其中，上部区域(II)的间隔件(8-II)的内板(10)的孔(20)的总面积大于下部区域(I)的间隔件(8-I)的内板(10)的孔(20)的总面积。
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