CN101471147A - 使用固定隔离板的分段燃料棒束设计 - Google Patents

使用固定隔离板的分段燃料棒束设计 Download PDF

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CN101471147A CNA2008101796450A CN200810179645A CN101471147A CN 101471147 A CN101471147 A CN 101471147A CN A2008101796450 A CNA2008101796450 A CN A2008101796450A CN 200810179645 A CN200810179645 A CN 200810179645A CN 101471147 A CN101471147 A CN 101471147A
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C·J·莫内塔
C·W·克拉克
R·B·詹姆斯
D·G·史密斯
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Abstract

本发明涉及使用固定隔离板的分段燃料棒束设计。示例性实施例涉及使用分段燃料棒的燃料棒设计，该分段燃料棒以机械的方式将隔离板(150)约束在恒定的轴向位置。示例性实施例隔离板(150)可置于燃料棒节段(110)之间的轴向连接点(300)处，并且当燃料棒节段(110)配接时，示例性实施例隔离板(150)可由该配接以机械的方式支承。

Description

使用固定隔离板的分段燃料棒束设计
技术领域
本发明大体上涉及一种用于核电站的燃料结构和使用该燃料结构的方法。
背景技术
通常，核电站包括具有布置在其内部的燃料的反应堆芯，以通过核裂变来产生能量。在美国核电站中，一种普遍的设计是将燃料布置在多个包壳(cladded)的燃料棒中，这些包壳的燃料棒捆束在一起作为燃料组件或燃料束，并且布置在反应堆芯中。这些燃料束通常包括若干隔离元件，这些隔离元件布置为沿轴向穿过该燃料束，以减小燃料棒的振动、确保燃料棒之间的最小间隔和相对位置、以及使沿轴向流过燃料束和其中的隔离件的冷却剂混合。
如图1所示，核反应堆(如沸水反应堆(BWR))的传统燃料束10可包括围绕上垫板14和下垫板16的外部通道12。多个全长燃料棒18和/或部分长燃料棒19可在燃料束10内布置成矩阵形式，并且穿过多个隔离件20(也称为隔离栅格)，隔离件20沿轴向彼此隔离开，并且将燃料棒18和19保持在其特定矩阵中。
燃料棒18和19从其基部到终端通常是连续的，对全长燃料棒18而言，是从下垫板16到上垫板14。传统隔离件20焊接成网格，其通过利用阻力接触段(已知为制动件和/或弹簧)而以摩擦的方式夹持燃料棒18和19，抵靠在穿过隔离件20的各个棒的外部。这样，当高速的冷却剂沿轴向流过燃料束10时，传统隔离件20可通过阻力接触点而保持固定在燃料束内的恒定轴向位置处。
发明内容
本发明针对燃料棒和使用分段燃料棒的燃料束的设计，该分段燃料棒将隔离板以机械的方式约束在恒定的轴向位置。本发明隔离板可置于燃料棒节段之间的被称为配接(mating)的轴向连接点处，并且当燃料棒节段配接时，本发明隔离板由该配接以机械的方式保持。本发明隔离板由单纯的冲压/模制工艺制成，而无需焊接部件或可移动式部件。本发明隔离板和分段燃料棒束可减少隔离板滑移、减小由于隔离板滑移而引起的燃料损坏、并且可降低由微振(debris)磨损造成的燃料故障的可能性。由于提高了流过包括隔离板的燃料束的冷却剂的混合，本发明隔离板和分段燃料棒束还可以提供更低的压力降。
本发明核燃料束可包括轴向或纵向方向上的流动通道，多个轴向燃料棒节段沿轴向位于在该通道内。该燃料棒节段在轴向上可拆卸地彼此配接，并且各自被包壳。本发明隔离板可以在垂直于轴向方向的横向方向上横跨该通道，该隔离板由燃料棒节段之间的至少一个配接约束在该通道中。
附图说明
通过对附图进行详细描述，本发明将会更加清楚，在附图中，相同的元件用相同的参考标号来表示，其仅仅用来说明，且因此不对本发明进行限制。
图1显示了具有以摩擦的方式固定到其上的隔离板的背景技术燃料组件；
图2显示了包括示例性实施例隔离板的示例性实施例分段燃料棒组件；
图3详细显示了部分组装的示例性实施例分段燃料棒组件；
图4显示了示例性实施例分段燃料棒节段和示例性实施例隔离板；
图5详细显示了在配接前的示例性实施例燃料棒节段，没有示出示例性实施例隔离板；
图5A详细显示了配接后的图5的示例性实施例燃料棒节段，没有示出示例性实施例隔离板；
图5B详细显示了与示例性实施例隔离板配接后的图5的示例性实施例燃料棒节段，该示例性实施例隔离板连接于该示例性实施例燃料棒节段之间；
图6显示了示例性实施例隔离板；
图7显示了另一个示例性实施例隔离板；
图8显示了又一个示例性实施例隔离板。
部件列表：
 
10 BWR核燃料束组件/示例性实施例燃料束
12 外部通道
14 上垫板
16 下垫板
18 全长燃料棒
19 部分长燃料棒
20 隔离件/隔离栅格板
22 非突起水棒(Non-tabbed water rod)
24 非突起水棒
100 燃料棒组件/棒节段组件(5X)的整个轴向长度
101 部分燃料棒组件的轴向长度
部分长分段燃料棒101
102 全长棒节段
110 燃料棒节段
110A 示例性实施例燃料节段
110B 示例性实施例燃料节段
111 配接元件/互补端
111A 配接元件/互补端
112A 配接元件/互补端
112B 配接元件/互补端
 
114A 适配器组件302的子适配器(突出)
114B 适配器组件302的子适配器(凹形)
115 加工凹部区...在突出子适配器114A上
116 加工释放区/突出端塞
146 螺孔...仅示例性实施例隔离件170
147 轴肩.......在突出子适配器114A上
148 连接螺纹.....在突出子适配器114A上
150 示例性实施例隔离件150，160&170
151 连接环155的外径
152 连接环155的内径
155 由材料156的连接/带互连的连接环155
156 使接合环155互连的接合件
157 开口/开孔在隔离栅格板上的水棒区上
158 冷却剂流动特性
159 示例性实施例隔离件150，160&170的厚度
160 示例性实施例隔离件150，160&170
161 混和突起
170 示例性实施例隔离件150，160&170
300 配接/连接点
302 适配器子组件
具体实施方式
本申请披露了本发明的详细的示例性实施例。但是，本申请所披露的特定结构和功能细节仅仅是代表性的，以用于描述示例性实施例的目的。然而，本发明可以以许多备选的形式来实施，并且不应解释为仅局限于本申请所阐述的示例性实施例。
可以理解的是，虽然本申请使用第一、第二等用语来描述不同元件，但是这些元件不应受到这些用语的限制。这些用语仅仅用来使元件彼此区别。例如，第一元件可以称为第二元件，类似地，第二元件也可以称为第一元件，而不脱离本发明的范围。本申请中所使用的用语“和/或”包括相关的列出项目的一个或者多个项目中的任何及所有组合。
可以理解的是，当元件被称为“连接”、“联接”、“配接”、“附连”或“固定”到另一个元件上时，该元件可以直接连接或联接到该另一个元件上，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一个元件上时则不存在中间元件。用来描述元件之间的关系的其它用词(如：“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)应该以同样的方式来解释。
本申请使用的用语仅仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制示例性实施例。除非另有文字明确说明，本申请中所使用的单数形式的“一”、“一个”和“该”还意图包括复数形式。还将理解的是，本申请中所使用的用语“包括”和/或“包含”明确表明存在所述的特征、数值、步骤、操作、元件和/或构件，但是不排除存在或增加一个或多个其它特征、数值、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合。
还应该注意的是，在一些备选实施方案中，所提及的功能/动作可以不按照附图中所提及的顺序发生。例如，根据所涉及的功能/动作，连续显示的两幅附图实际上可以大体上同时实施，或者有时可以以相反的顺序来实施。
图2显示了多个示例性实施例棒节段，其显示为在上端件120和下端件130之间的部分长棒节段101和全长棒节段102。上端件120和下端件130可包括螺纹或者其它配接机构，以分别与示例性实施例燃料束100的下垫板16和上垫板14相配接。棒节段101和102可布置在围绕示例性实施例燃料束100的通道12中。
如图3所示，沿轴向相邻的棒节段可直接地或通过适配器子组件而彼此互连或配接，直接连接大体上显示于连接点或配接300的虚线环内。示例性实施例棒节段可由多种配接器件来配接，包括例如凸起件/接收件(tang/receptor)、螺纹/螺孔及内部钩/环等。示例性实施例棒节段110可附连于上端件和下端件(120和/或130，见图2)之间并彼此附连，以形成棒组件100的整个轴向长度。
如图4所示，示例性实施例棒节段110A、示例性实施例棒节段110B、以及各上端件120与下端件130，可沿着棒组件100的轴向长度在连接点300处直接地或通过适配器子组件而连接。示例性实施例棒节段110A和110B可以是固定长度节段，以便于制造加工。
示例性实施例棒节段可由抗腐蚀并且与其它反应堆构件相容的材料制成。例如，锆合金可用来制造示例性实施例棒节段。以上对示例性实施例燃料棒节段进行了描述，可以理解的是，对“棒节段”或“燃料棒节段”的任何引用都援引以上描述，而单独使用的“燃料棒”或“棒”则指的是背景技术部分中所述的连续棒。
图3和图4显示了多个已配接的示例性实施例棒节段，这些棒节段与多个示例性实施例隔离板150相结合，以形成示例性实施例燃料棒节段束100。沿着示例性实施例束100的轴线，示例性隔离板150与配接或连接点300对齐。示例性实施例隔离板150可由配接300例如通过穿过示例性实施例隔离板150的接合环155的燃料节段110辅助端111以机械的方式固定。也就是说，当燃料节段110的相应端在配接300处结合在一起时，示例性实施例隔离板150可由燃料节段110的该配接来约束。以下所讨论和举例的其它示例性实施例将显示实现这种约束的几种不同的方法。这样，示例性实施例隔离板150可以以机械的方式固定在示例性实施例燃料束的轴向位置处，而无需摩擦或焊接。
图5、5A和5B显示了将示例性实施例隔离板150约束到示例性实施例燃料节段的配接300的两种不同的方法。如图5所示，配接300处的示例性实施例燃料棒节段110B和110A具有可配接的互补端111A/111B和112A/112B。该112A凹形配接元件可包括加工区116，而该112B凹形配接元件可具有大体上到轴肩147的螺纹148。
如图5A所示，配接元件111A和112A可通过凸起件/接收件类配接而结合在一起。当111A和112A类型的配接元件完全配接时，可在节段110A和110B之间形成连接凹部115。类似地，配接元件111B和112B可通过螺孔/螺纹类配接而结合。当元件111B和112B如图5A所示完全配接时，轴肩147和部分螺纹148会暴露在外。
图5B显示了各种示例性实施例隔离件150是如何被约束在示例性实施例棒节段110A和110B之间的。如图5B所示，示例性实施例隔离板150可装配到连接凹部116中，并围绕和/或穿过示例性节段110A与110B的配接元件111A与112A。图5B中以阴影显示了示例性实施例隔离板150上的、配接元件111A可穿过其中的环形孔的内径152与外径151，以显示示例性实施例隔离板150是如何以机械的方式约束在已配接的示例性实施例棒节段110A和110B之间的。类似地，配接元件111B和112B可以旋接在一起，并且穿过示例性实施例隔离板150，示例性实施例隔离板150可在内径152上包括螺纹，以旋到配接元件111B上。这样，当配接元件111A与112A、或111B与112B互锁时，并非仅仅是摩擦力的正常接触力将防止示例性实施例隔离板150在轴向方向上向上或向下移动示例性实施例燃料节段110A或110B。类似地，通过围绕配接元件111A/111B来装配，示例性实施例隔离板可在垂直于轴向的横向方向被锁定。如果使用若干示例性实施例燃料节段110来形成示例性实施例燃料束100(如图3所示)，还可以防止示例性实施例隔离板150围绕配接300的轴线而旋转，从而使示例性实施例隔离板150相对于包括该示例性实施例隔离板150的示例性实施例燃料棒节段束在移动和转动方面都保持固定。
虽然图5、5A和5B所示的示例性实施例显示隔离板约束于由凸起件/接收件和螺孔/螺纹之间的配接所形成的凹部区域中，该示例性实施例隔离板还可以以许多其它方式保持在沿轴向相邻的两个棒节段之间的连接点处。例如，示例性实施例隔离板可穿过配接元件，或者在连接点处与配接元件互连，或者由两个沿轴向相邻的燃料棒节段的配接以其它方式机械地夹紧、固定等。
图2-图5B示出了由示例性实施例棒节段110和隔离板150所形成的棒节段组件100，可以理解的是，可以将图2-图5B所示的棒组件100、棒节段110和/或隔离板150中的一个或多个插入到示例性实施例燃料束中。例如，棒组件100和/或隔离板150可代替图1燃料束10中的一个或更多个燃料棒18、19及隔离板20。
因为示例性实施例燃料束包括无需焊接或摩擦即固定在特定轴向位置的示例性实施例隔离板，所以与使用仅附连到连续棒的径向外部的隔离板的传统燃料束相比，示例性实施例燃料束可承受较少的损坏，并且可以降低裂变产物逃逸的可能性。例如，传统隔离板会滑动、磨耗，或者由于传统隔离板采用摩擦方法与传统棒接触，传统隔离板会增强与其接触的传统连续燃料棒的微振。然而，通过将隔离板以机械的方式固定在两个燃料棒节段之间，由于配接元件的固态特性和/或非燃料特性而防止滑动、磨耗、和/或沿着燃料棒对配接位置(核裂变产物在该配接位置处不会逃逸)的重定位微振，从而示例性实施例隔离板和束可以防止或减少这些问题。
图6显示了可用于以上关于图2-图5B所述的示例性实施例燃料束的示例性实施例隔离板150。如图6所示，示例性实施例隔离板可以是具有若干接合环155、流动孔158和厚度159的大致平板，其中接合环155具有内径152和外径151。接合环155可成形为以便于容许示例性实施例燃料棒的配接元件穿过该接合环155并配接，从而将接合环155固定在配接处。例如，接合环可以是具有大致等于穿过其中的示例性实施例燃料节段的配接元件外径的内径152的环形。
若干隔离段156可结合并刚性地保持相邻的接合环155，从而提供刚性间隔，并且减小附连到示例性实施例隔离板上的燃料棒节段的振动。接合环155和隔离段156在图5中显示为栅格状排列形式，其中接合环155占用单一平面并且以90度间隔相隔开。四个隔离段156可每隔90度从各个内部接合环155的外径151横向地延伸，以连接到其它接合环155上。这样，示例性实施例隔离板150可具有大体上为正方形的形状，并且在各侧上具有相等数量的接合环155。隔离板150可具有厚度159，以横向地在棒节段110A和110B当中提供机械强度，而根据隔离板150的材料及相关的机械强度和弹性，隔离板150可以是柔性的，以对棒节段110A和110B之间的差异生长(differentialgrowth)中的细微差别作出调整。
虽然图6的示例性实施例是大体正方形的，但是为了适应各种燃料束的形状和棒位置，接合环155及隔离段156的任何合乎需要的布置都是可行的。例如，接合环155及隔离段156的六角形网格或圆形网格可容纳具有这些形状的示例性实施例燃料束。类似地，任何数量的隔离段156可以将各个接合环155刚性地保持在各种规则或不规则位置。根据棒节段的形状及流过示例性实施例隔离板150的冷却剂的所需流动特性，接合环155和隔离段156可具有不同的形状。
图6显示的示例性实施例隔离板150可包括缺口157，缺口157在示例性实施例燃料棒节段束的中心容纳较大的水棒或通道，但是基于燃料束设计，缺口157并非必须存在。此外，缺口157还可以布置在非中心的其它位置，并且具有非正方形的其它形状。
如图5B和图6所示，示例性实施例隔离板150的环形接合环的外径151可以大致等于在特定的接合环处配接的燃料棒节段110的外径。这样，示例性实施例隔离板150和燃料棒节段110可以为在包括示例性实施例燃料棒节段束的、运行中的核堆芯中沿着燃料棒节段轴向地流动的冷却剂提供连续的轴向侧面。示例性实施例燃料棒节段束的这种连续侧面可减少在自燃料棒横向地延伸的传统隔离板中常见的微振截留。因为已截留的微振可助长传统燃料棒的磨损，所以减少由示例性实施例隔离板和束产生的截留的微振可进一步降低磨损和裂变产物释放的风险。
如图6所示，可通过接合环155和隔离段156的汇接形成多个流动孔158。在运行中的、包括示例性实施例燃料棒节段束的核堆芯中，冷却剂可以流过流动孔158。因为接合环155的外径151可大致等于邻接该接合环155的示例性实施例燃料棒节段的直径，所以与占用通过传统燃料束的流动通道的较大部分空间的传统隔离板相比，可降低流过示例性实施例隔离板150的冷却剂的压降。也就是说，只有隔离段156可大体上有助于使流过流动孔158的冷却剂的压力降低，从而使得与具有较小流动面积的传统隔离板相比，减小隔离段156的尺寸进一步降低了通过示例性实施例隔离板150的压降。由于通过示例性实施例束和隔离板的较低的压降，可减少使冷却剂移动通过反应堆芯所需要的泵送能(或泵压头)。在自然循环电站的例子中，这可以导致较高的堆芯流量、更高的核效率和/或热极限的提高。
图7显示了具有与图6所示的示例性实施例相似的若干元件的另一个示例性实施例隔离板170，对这些相似元件不再作多余描述。示例性实施例隔离板160显示了为了适应不同示例性实施例燃料束水棒设计，缺口157的形状是如何另外地设计的。此外，图7还显示内径152可包括详图A中的螺纹，以适应将隔离板固定在示例性实施例棒节段之间的连接点处的备选方法。
如图8所示，示例性实施例隔离板160还可包括若干混合突起161，混合突起161延伸到包括示例性实施例隔离板160的示例性实施例燃料棒节段束的流动通道中。混合突起161可在垂直于示例性实施例束的轴向的横向方向上从接合环155延伸到流动孔158中。混合突起161还可以在穿过示例性实施例隔离板160的冷却剂流的方向上弯曲。自各个接合环155可以延伸出一个或多个混合突起。
混合突起161可在流过示例性实施例隔离板160的冷却剂中包括紊流或其它流动模式，例如旋涡或流动扭曲。混合突起161可提供更好的冷却剂混合，且从而提供从示例性实施例棒节段到冷却剂的更好的热传递。另外，混合突起161的尺寸和构造可以变化，以获得所需的、通过特定流动通道的流动和混合模式。例如，较大的混合突起161可减小通过相应流动孔158的流动，而具有非弯曲边的或锐边的混合突起161可在冷却剂流中引起更多的紊流和压降。
示例性实施例隔离板160还可包括自外围接合环155延伸的一个或多个弹性突起154。弹性突起154可以在相邻隔离板160之间定位和/或保持所需的间隔，且从而在包括隔离板160的示例性实施例燃料束之间保持类似的位置和/或间隔。弹性突起154可大体上与示例性实施例隔板160是连续的。或者，可通过包括熔接、焊接、铆接等任何适当的方法，将弹性突起154和隔离板160结合在一起。弹性突起154可以自接合环155以某角度延伸，以使得弹性突起154也可沿轴向方向而向上或向下延伸。弹性突起154可用类似于下述隔离板160的材料来制造，这些材料容许在相邻燃料束之间的刚性间隔具有一定的弹性，以解决在整个运行周期中产生的束形状改变的问题。这样，弹性突起154可以在若干轴向隔离板位置处严格地对齐堆芯内的相邻燃料束，而无需接触和/或磨损该束内的实际的燃料棒。
示例性实施例隔离板可以用若干种不同类型的材料制造，这些材料与运行中的核堆芯的环境相容，并且可保持最小的刚性，以适当地隔离和保持示例性实施例燃料节段和束，并提供使得相邻棒之间能够具有轴向差异生长中的细微差别所需要的弹性。例如，可以使用传统核堆芯环境中所使用的已知的含锆抗腐蚀合金来制造示例性实施例隔离板。或者，可使用抗腐蚀不锈钢或与核堆芯环境相容的其它材料。
因为示例性实施例隔离板不需要组装多个部件或焊接，且因此可以是内部连续的，所以示例性实施例隔离板可以由对适合的材料片进行单纯的冲压来制造。这种简单的制造加工可降低制造成本，并且便于在插入到运行的堆芯中之前对示例性实施例隔离板和燃料束进行检查。
这样就描述了本发明，本领域的技术人员将会了解，可以通过常规的实验手段并且无需另外的创造性活动来改变示例性实施例。不能认为这些改变脱离了本发明的精神和范围，对本领域技术人员显而易见的所有这些修改，均意图包括于所附的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种核燃料束(10)，包括：
多个燃料棒(110)，所述燃料棒(110)沿轴向布置在通道(12)中，至少一个所述燃料棒(110)由多个燃料棒节段(110)构成，所述多个燃料棒节段(110)在轴向上可拆卸地彼此配接，并且被单独地包壳；
至少一个隔离板(150)，其在垂直于轴向的横向方向上横跨所述通道(12)，所述隔离板(150)由所述燃料棒节段(110)之间的至少一个配接(300)刚性地约束在所述通道中。
2.根据权利要求1所述的燃料束，其特征在于，所述隔离板(150)是连续的、非焊接的且穿孔的。
3.根据权利要求1所述的燃料束，其特征在于，所述隔离板(150)由设计为以便在运行的核堆芯环境中大体保持其物理特性的材料来制造。
4.根据权利要求3所述的燃料束，其特征在于，所述隔离板(150)由包含锆的合金制造。
5.根据权利要求1所述的燃料束，其特征在于，所述隔离板(150)包括通过多个隔离段(156)而互连的多个接合环(155)。
6.根据权利要求5所述的燃料束，其特征在于：
各个所述接合环(155)具有内径(152)和厚度(159)，其容许来自第一燃料棒节段(110)的连接元件穿过所述接合环(155)进入第二燃料棒节段(110)的接收元件中，以便将所述隔离板(150)约束在相配接的第一和第二燃料棒节段(110)之间；
各个所述接合环(155)具有外径(151)，所述外径(151)大致等于所述第一和第二燃料棒节段(110)的至少其中一个棒节段的直径；以及
相邻连接环之间的各个所述隔离段(156)具有构造成以便将所述接合环以刚性间隔相隔开的长度，所述隔离段(156)与所述相邻的连接环是连续的。
7.根据权利要求6所述的燃料束，其特征在于，所述隔离板(150)包括连接到所述接合环(155)其中之一上的至少一个混合突起(161)，所述混合突起(161)构造成以便对流过所述隔离板(150)的冷却剂进行混合。
8.根据权利要求6所述的燃料束，其特征在于，所述接合环(155)和所述隔离段(156)在所述束中限定了至少一个缺口(157)。
9.根据权利要求1所述的燃料束，其特征在于，所述隔离板(150)包括自所述隔离板(150)的外围延伸的至少一个弹性突起(154)，所述至少一个弹性突起(154)构造成以便保持所述燃料束(10)的相对横向位置。
10.一种用于核燃料束的隔离板(150)，所述隔离板(150)包括：
板(150)，其具有由隔离段(156)连接的多个接合环(155)，所述板(150)是平面的并且是非焊接的，所述接合环(155)具有容许来自燃料棒节段(110)的连接元件穿过所述接合环(155)的内径(152)。
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