CN1016748B - 防碎屑燃料组件 - Google Patents

Abstract

一种核反应堆燃料组件，包括通常的上下固定板以及在其间延伸的燃料棒，通过提供一个与下固定板接触或与下固定板非常接近的定位格架，并且将其定位成能将下固定板中作为冷却通道的常规开口进一步细分成更小的开口，使该组件能防碎屑。这就使碎屑被捕捉在下固定板的开口内，并使其不能与组件的燃料部分接触。

Description

本发明涉及防碎屑核燃料组件，特别是用于压水型反应堆的防碎屑核燃料组件（参见所附权利要求1前序部分中所述的燃料组件及权利要求9前序部分中所述的定位格架）。这种燃料组件及定位格架已为美国专利第4684495号所公开。为了留住碎屑，穿过位于该已知燃料组件下固定板上的定位格架的小室的通道是由一些在定位格架的条带材料上开有孔的指形件挡住的。

在压水堆中，核燃料取棒形，装于带弹簧的定位格架中，这些弹簧将燃料棒压紧，贴住另一些弹簧或压在凹槽上。沿棒的长度方向定位多个定位格架，棒长可达10或12呎。这些燃料棒在上、下固定板之间延伸，但一般不超过上、下固定板。将这些固定板和定位格架固定到拉杆上，这些拉杆通常也用作改变组件反应性的控制棒的导向管。通常将拉杆用能拆卸燃料组件的快速释放机构固定到固定板上。这些定位格架沿燃料棒的长度方向每隔一定间隔定位，最低的格架通常高于下固定板几个吋。在辐射期间燃料棒的长度要增大几吋，最上和最下定位格架的定位必须考虑到这一点。

与核反应堆运行有关的一个问题是各种类型碎屑的聚积，这种聚积可能发生在最初的建造期间或者修理期间，这些碎屑可能是螺母、螺钉、金属圈、薄片以及各种类型的废物。上、下固定板上有相当大的开口以便让水流动。不能通过这些开口的最大的碎屑不会引起特殊的麻烦。有如普通沙粒大小的最小碎屑能够穿过燃料组件，也不会产生特殊的问题。但是，中等大小的碎屑却可能是极其难办的，因为它可能汇集在两个燃料棒之间并且损伤燃料棒。这就可能引起燃料泄漏并可能使裂变产物进入冷却水，从而产生辐射问题。在最低定位格架下面的燃料棒部分，碎屑聚积在两个燃料棒之间的趋势尤其普遍。

缓解碎屑问题的一种尝试是使用非常长的端盖，其长度自燃料棒的端部延伸到最下边的格架。这样，受碎屑磨损最厉害的燃料棒部分就不再包含燃料，也就不会产生上述辐射泄漏问题。但是这样做的缺点是用惰性材料代替了一部分燃料，因此就降低了燃料组件的有效功率。所提出的另一个解决办法是在下固定板上设置许多起筛子作用的小孔以防止碎屑和燃料棒接触。但这就使通过组件的压力降增加并使冷却剂流动变慢，因此可能使允许的功率水平降低。此外，没有穿过下固定板的碎屑还保留在那里，并且当冷却水的循环中断时，这些碎屑要掉到反应堆容器的底部，结果是在下一次循环开始时这些碎屑将引起麻烦。

按照本发明，将燃料组件设计成能有效地捕捉碎屑，因此碎屑就不和燃料棒的燃料部分发生接触，并且能将碎屑保存在那里，故能在换装燃料期间将碎屑从燃料组件处取走。这就不会显著地增加燃料组件压力降，也不需要使用那种将产生最终的功率损失的过长的端盖。这种设计构思就是让在各通道之间有交叉的液体流动，其结果是既使碎片部分堵塞了某些空间也能有效地冷却所有的燃料棒。

为了实现这种设计构思，将燃料组件的空位格架（最好是类似于EP-A-0237064中所表示和描述的那种空位格架）定位在下固定板上，或者比其略高一点。在给该空位格架定位时要使其能将下固定板的开口分成更小些的开口。这种布置使得能通过该固定板开口的碎屑将碰上空位格架的结构件的边缘并留在那里，即留在下固定板内，或者略微伸进空位格架一点，这取决于碎屑块的大小和形状。燃料棒穿入这个最下边的空位格架足够长，使燃料棒在这里能被固定在适当位置，但燃料棒也不要穿过该格架过多以致使燃料部分碰上碎屑 块。在确定伸入最下边定位格架程度的过程中，为了在燃料组件寿命期间维持正确的关系，必须留有辐照燃料增长最大为2吋这样的一个余量。为了确保在弹簧这一范围的接触，必须增加紧靠下固定板端部的定位格架的深度使之超过正常的定位格架的深度。采用上述定位格架设计的好处在于增加了燃料棒的约束力也增加了燃料棒的支撑表面积。这也就可以减少燃料棒被定位格架磨损的可能性。

为了将燃料棒的振动和磨损减至最小，在这个最下边的定位格架上维持正确的弹簧负荷尤为重要。从节省中子的观点出发也希望使用全锆合金的定位格架。这也避免了钴的存在（钴是因科镍合金（inconel）的一种组分）。钴受到中子照射后，会变成极强的放射性物质。按照本发明的另一特点，通过选取特定格架部件的轧向取向能进一步增加这样一种全锆合金格架上的弹簧负荷。辐照将会使由锆板料制成的产品在轧向上伸长。在其他方向不产生明显的伸长。对上述类型格架设计进行的检验表明，在各个棒支撑位置由于大的弹簧歪斜而产生局部负荷会使格架的外廓等有所扩（增）大。相反，该外廓约束到较小程度会使格架的弹簧歪斜，从而增加了控制棒上的负荷。因此，最佳的轧向取向是垂直于外围条带的条带长度方向（由此约束整个外廓），以及平行于内部的条带长度方向。限制内部条带的长度可能会使弹簧高度增加，这可能有助于抵消辐照诱发的弹簧松弛效应。

通过采用充分再结晶的退火锆合金的外围条带和冷加工的去应力内部（格栅）条带能够达到上述同样的目的。由于辐照而使冷轧去应力锆合金的伸长比起再结晶的退火材料的伸长更多些。

在附图中，图2是按照本发明的最下边的定位格架和燃料组件的 下固定板的部分透视图。图2a是一个燃料棒的部分立体图和部分剖面图。图3是沿图2的3-3线的部分剖面，表示最下边的定位格架和固定板的相互关系并且图示出由它们形成的水流通路。图4是最下边的定位格架和下固定板的部分剖面。

图1表示了与本发明有关的燃料组件的一般形式，其中，该燃料组件由大量的垂直紧凑放置的燃料棒22组成，这些燃料棒22由定位格架固定在适当位置。这些定位格架中的最下面的格架一般固定在下固定板4上方几吋。这些燃料棒22穿过定位格架延伸，终止在靠近下固定板4处。按照本发明，最下边的定位格架定位成与下固定板相接触，或者基本上和下固定板接触。这一点由图2示出，其中示出的最下边的定位格架2放在下固定板4之上。6表示一根燃料棒，它部分穿过该定位格架，这在图4中表示得更加清楚。多个导向管8完全穿过该定位格架并被固定到固定板4上。它们还以类似的方式被固定到上固定板上（图中未示出）同时起到拉杆的作用以便将燃料组件固定在一起。

定位格架最好采用欧洲专利EP-A-0237064中所示的一般类型。与在该专利中所示的结构类似，定位格架2由双辊轧条带13构成，使这些条带变形以提供通道10。如图所示，这些通道最初向外弯，以使它们与燃料棒衔接并起弹簧作用，使燃料棒保持在适当位置。当把燃料棒插入时，这些通道被拉平成由10所示的位置。但同刚才提到的专利所公开的内容相对照，不需要将这些通道弄弯来使冷却水偏流，这些通道可能是垂直的。在承重条带中的各通道10之间存在多个开口11。它们的作用有两个：增加结构的柔性并为冷却水在通道间的横向流动提供通路。如果碎屑堵住了一个通道，冷却水也 可能从另一些通道流进这个通道，从而可防止燃料棒过热。考虑到由于照射产生的辐射增长所带来的燃料棒下端位置的变化，这些定位格架要做成比其它正常的格架更深一些。

图4表示一个燃料棒处在三个位置：6、6′和6″，所示的位置6可被称为燃料棒的“正常”位置，6′表示最上边的运行位置，而6″表示最下边的运行位置。为了得到最佳的性能，要对图2a所示的燃料棒的通常形状（在图2a中燃料棒6装有略微细长一些的端盖12）进行改动，改动的燃料棒和通常的燃料棒具有相同的外径。使用直径等于或大于最大包壳直径的加长燃料棒端盖，将能消除由于辐照诱发的包壳蠕降产生燃料棒支撑间隙的可能性。这就便利于燃料棒在固定板上的支撑，而且这个实心端在棒的燃料部分与所捕捉的碎屑间提供了一个较大的距离。

图3表示出燃料棒6、定位格架2的承重条带13及固定板4的孔14的相互关系（为更清楚表示这种关系，用点划线表示燃料棒）。可以看出，承重条带13把固定板的孔14分割成更小的通路，在这方面，承重条带13的双条带结构尤为有效。通过比较这个图（图3）和图4可以看出，孔14和条带13形成了一个碎屑阱，使碎屑不能抵达燃料棒6的燃料部分。

如上所述，由制作条带的锆合金板料切割出承重条带13和定位格架2的外围条带16，切割时使板料的轧向平行于该外围条带的宽度（即在图2中的竖直方向）并平行承重条带的纵向（即在图2中的水平方向）。另一方面，外围条带16可以由再结晶的退火锆合金制造，承重条带13可以由冷加工去应力的锆合金制造。正如已经描述过的，其结果是约束了承重条带长度的伸长，从而使弹簧的高度随 辐照而增加，也抵消了由于辐照诱发的这些弹簧的松弛效应。

Claims (12)

1、一种燃料组件，包括上固定板和下固定板，多个燃料棒在其间延伸且多个连接管也在其间延伸，并被紧固在所说的上、下固定板上，多个定位格架被定位在所说的固定板之间，且包括交叉的条带，以便形成所说燃料棒穿过的小室，每一个所说的固定板包括一些比较大的开口，冷却水通过这些开口流入所说组件，以及一个定位格架定位在所说的下固定板上，其特征在于，所说定位格架的各条带被安排成使所说固定板的各开口的断面再分得更小，以捕捉碎屑并防上碎屑进入所说燃料棒之间的空间。

2、一种如权利要求1所述的燃料组件，其特征在于，所说定位格架由交叉的双条带构成，将所说的双条带变形，以提供冷却水的通道。

3、一种如权利要求2所述的燃料组件，其特征在于，所说通道的壁从它的高度的中间开始向外弯曲以提供与所说燃料棒接触的弹簧。

4、一种如权利要求2所述的燃料组件，其特征在于，在所说下固定板中的孔基本上呈圆形，并使所说条带的交汇处近似对准其中心。

5、一种如权利要求4所述的燃料组件，其特征在于，每一个所说的燃料棒的下端都有一个端盖，端盖自所说燃料棒的燃料部分伸出，伸出的距离接近与所说下固定板接触的定位格架的高度一半左右，其直径至少和所说燃料棒燃料部分的包壳一样大。

6、一种如权利要求5所述的燃料组件，其特征在于，与所说下固定板接触的所说定位格架的高度大于其它的定位格架。

7、一种如权利要求3所述的燃料组件，其特征在于，与所说下固定板实际上接触的定位格架主要由全锆合金构成，外围条带和横向条带由锆合金板料形成，形成的方式是使板料的轧向在外围条带的窄方向并且在所说横向条带的纵向方向。

8、一种如权利要求3所述的燃料组件，其特征在于，与所说下固定板实际上接触的定位格架主要由全锆合金制造，其外围条带是再结晶的退火材料，而交叉条带是冷加工的去应力材料。

9、一种核反应堆的定位格架，包括一个多边形的外围条带和多个靠在所说外围条带上并且穿过多边形延伸的交叉栅格条带，这样就形成了多个容纳燃料棒的小室，其特征在于，使所说栅格条带变形以便在垂直于所述栅格条带的长度方向形成通道，在它们长度的中间处，所说通道向外弯曲，以便形成约束所说燃料棒的弹簧，以及选择所说栅格条带和所说外围条带的材料，使得在核辐照情况下，所说栅格条带的伸长比所说外围条带的伸长更大些。

10、一种如权利要求9所述的定位格架，其特征在于，所说的定位格架基本上由全锆合金构成。

11、一种如权利要求10所述的定位格架，其特征在于，所说外围条带和所说栅格条带由板料构成，构成的方式是板料的轧向在外围条带的窄方向并且在所说栅格条带的纵向方向。

12、一种如权利要求10所述的定位格架，其特征在于，所说的外围条带由再结晶的退火材料构成，所说的交叉条带由冷加工去应力的材料构成。

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