CN102265351B - 用于压水核反应堆的燃料元件 - Google Patents

Abstract

在用于压水核反应堆的燃料元件中，附加于间隔件(6)设置导流的结构件(8)，该结构件包括四个外板条(20)，所述外板条在一个垂直于纵向中轴线(4)定向的平面内包围一个正方形的内部区域(24)，该内部区域的中心点(M)位于纵向中轴线(4)上。外板条在其在运行状态面向流动的冷却水的下面的纵向侧设有指向内部区域的转向凸片(30)并且结构相同，彼此相对的外板条(20)关于沿轴向延伸的中心平面(21)镜面对称地布置。这种结构件(8)最多为数量比燃料元件中的燃料棒的总数少的燃料棒(2)形成单元格(12)，各一个燃料棒(2)被引导穿过所述单元格，位于一行(14)或列(16)中的单元格(27)的数量小于分别位于该行(14)或列(16)中的燃料棒(2)的数量。

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期间的过程中与其在堆芯（Kern）中的位置有关地弯曲，因此对于整个堆芯会出现系统的挠曲图案。其原因例如是在受热长度膨胀时的各向异性、燃料棒包壳管或控制棒导管由于放射性射线诱发的长度生长或者通过横向于燃料元件的纵轴定向的补偿流产生的流动力。所述挠曲在不利的情况下可能导致控制棒难以进入或导致在更换燃料元件时的问题。

图2中的曲线描述了一种这样的在实践中观察到的挠曲或弯曲。在此曲线图中，示出了量纲为mm的挠度d相对于量纲为m的燃料元件从棒的下部固定板起测量的高度h的大小程度，如针对辐射的18×18燃料元件得出的那样。由该图可以看出，在这里基本上涉及一种C-弧形的挠曲（基本模式），它直至挠曲到一定程度与更高的模式、主要是形状为S-形挠曲的更高一级的模式叠加。

为了降低这种挠曲的程度，在现有技术中试图将燃料元件设计成机械上更稳定的和减小压紧力。替代于此，在DE102005035486B3中建议，把存在于燃料元件中的间隔件根据其在燃料元件中的位置在结构上设计成不同的，其中，设置在一个上部区域中的间隔件比设置在一个下部区域中的间隔件具有更小的相对于横向流动的流动阻力。这种方法基于这样的观察，即，由于燃料元件的基本上开头所述的C-弧形的挠曲对沿燃料元件的纵向或轴向流动的冷却水施加横向流动分量。该垂直于竖直线延伸的横向流动分量在燃料元件的下部区域内、亦即在沿流动的冷却水的方向看挠曲程度、亦即偏离垂直的理想直线的程度增大的区域内与由于在偏移最大值上方的区域内现在减小的偏移而形成的横向流动分量相反地指向。因此，横向流动在下部区域内对燃料元件施加力，该力减小该下部区域中的挠曲的程度，而在上部区域中相反地指向的横向流动导致挠曲增大，因此在实践中产生了开头参照图2说明的、C-弧形的挠曲与S-形挠曲的叠加。在DE102005035486B3中建议的方法相应基于这样的考虑，即，如果设置在上部区域中的间隔件比位于下部区域中的间隔件对横向流动反向作用更小的流动阻力，那么在上部区域中产生的力的大小并且因此不稳定的和形成塑性变形的趋势得以减小。但是，这种方法要求耗费地重新构造间隔件。

发明内容

现在，本发明的目的是，提供一种用于压水核反应堆的燃料元件，该燃料元件在运行中具有减小的挠曲并且不需要在结构上改变在相应的燃料元件中使用的间隔件。

上述目的按照本发明通过具有如下特征的燃料元件达到。所述用于压水核反应堆的燃料元件具有以下特征：a）大量燃料棒被引导在多个沿纵向中轴线的方向间隔开的间隔件中；b）所述间隔件分别形成一个由栅格板条构成的正方形的栅格，该栅格带有多个第一单元格；c）所述第一单元格布置在行和列中；d）至少在两个轴向相邻的间隔件之间设置一个导流的结构件；e）所述导流的结构件包括四个外板条，这四个外板条在一个垂直于纵向中轴线定向的平面内围成一个正方形的内部区域，该内部区域的中心点位于纵向中轴线上；f）所述外板条在它们的在运行状态朝向流动的冷却水的、下面的纵向侧设有指向内部区域的转向凸片；g）各所述外板条结构相同并且彼此相对的外板条关于沿轴向延伸的中心平面镜面对称地布置；h）所述导流的结构件最多为数量比燃料元件中的燃料棒的总数少的燃料棒形成第二单元格，各一个燃料棒被引导穿过所述第二单元格；其中，i）位于一行或一列中的所述第二单元格的数量小于分别位于该行或该列中的燃料棒的数量。通过将一个这种导流的结构件安置在两个间隔件之间，使得轴向流入的冷却水增多地偏转到位于两个相邻的燃料元件之间的具有较大宽度的间隙中。由此在燃料元件上施加横向力，该横向力朝向较宽的间隙指向。该横向力便导致燃料元件的塑性的蠕变变形，该蠕变变形在燃料元件的一侧导致宽的间隙的宽度减小、而在另一侧导致窄的间隙增大。

在此，本发明基于这样的考虑，即，在现有技术中观察到的挠曲的主要原因是流动的冷却水和燃料元件之间的交互作用，其中，在燃料元件和与该燃料元件相邻的燃料元件还没有挠曲时，在燃料元件中的间隔件之内流动的冷却水由于通常装备有所谓的涡旋凸片（Fahne）或混合凸片的间隔件的结构决定的不对称性甚至便对燃料元件施加定向的力。该结构决定的不对称性既由混合凸片的布置本身导致、也由位于间隔件的单元格内部的用于支承燃料棒的栓钉和弹性元件导致。

由于该不对称性引起的定向的力在运行中产生燃料元件的定向的挠曲，这种挠曲引起堆芯的在DE10358830B3中详细说明的系统性的挠曲。通过按照本发明接入一个或多个这种结构件，可以在小的挠曲时就已经在很大程度上补偿引起在现有技术中已知的燃料元件挠曲的力或者使该力最小，而与由于这种不对称性导致的横向力沿哪个方向作用无关。这由此实现，即，结构件这样地具有对称的结构，使得当燃料元件的所有侧面上的流动情况相同时、也就是说与该燃料元件相邻的各燃料元件还没有挠曲时，在结构件的区域内轴向地在燃料元件内部流动的冷却水不对燃料元件施加横向力，而是当在结构件的区域内在燃料元件外部存在由于不同的间隙宽度导致的不同流动情况时才产生横向力。

此外，按本发明的结构件不是所谓的中间栅格（如其在现有技术中作为附加的混合栅格或者稳定栅格已知的那样），并且所述中间栅格要么具有与间隔件一样多的单元格，各一个燃料棒或者控制棒导管被引导穿过所述单元格，或者如在由US4762669公开的减震的中间栅格的情况那样，在所述中间栅格中至少位于边缘的燃料棒被引导穿过单元格并且支承在这些单元格中。因此，在按本发明的结构件中或者没有单元格或者最多仅形成数量比间隔件单元格的数量少很多的单元格，并且当结构件的外板条或者必要时存在的内板条固定在燃料元件中的控制棒导管或者其它与间隔件固定焊接的结构管上、优选与它们焊接时，所述单元格仅仅出于结构原因产生。此外，燃料棒不是弹性地借助弹性元件或者突起支承在由结构元件形成的单元格中，如这是在由US4762669已知的中间栅格中的情况。而是燃料棒被引导穿过这些单元格，而不与单元格壁接触。

优选地，由导流的结构件形成的第二单元格仅仅位于燃料元件的角部区域中。

优选地，所述外板条设置在燃料元件的侧边缘上。

优选地，所述外板条形成一个连接在一起的框架。

优选地，为每个外板条配设一个平行于该外板条延伸的内板条，该内板条在其朝向流动的冷却水的、下面的纵向侧上设有指向内部区域的转向凸片，其中，各所述内板条结构相同并且彼此相对的内板条关于沿轴向延伸的中心平面镜面对称地布置。

优选地，在外板条和内板条之间仅设置一行或一列燃料棒。

优选地，所述内板条的下面的纵向侧设置在外板条的下面的纵向侧下方。

优选地，所述内板条形成一个连接在一起的框架。

附图说明

参照附图进一步说明本发明。在附图中示出：

图1示出按本发明的燃料元件的原理示意图，

图2示出在现有技术中观察到的、燃料元件的挠度d相对于其高度h的曲线图；

图3示出燃料元件在间隔件的俯视图中的示意的横截面图；

图4至6同样在燃料元件的示意的横截面图中示出按本发明的导流的结构件的不同实施形式的俯视图；

图7示出燃料元件以及在按图4的设计方案中的导流的结构件的局部纵剖视图；

图8示出在扁平侧上的俯视图中的、图7所示的导流的结构件的外板条的俯视图；

图9同样是燃料元件包括按图6构造的导流的结构件的局部纵剖视图；

图10示出压水核反应堆的堆芯的示意的纵剖视图，其中燃料元件挠曲；

图11示出彼此相邻的按本发明的燃料元件在按本发明的结构件的区域中的原理图；

图12示出压水核反应堆的堆芯，其中，彼此挨着布置的燃料元件均匀挠曲。

具体实施方式

按照图1，按本发明的燃料元件包括大量燃料棒2，所述燃料棒相互平行地沿着纵向中轴线4的方向延伸并且被引导在多个沿着该纵向中轴线的方向间隔的间隔件6中。在间隔件6之间分别布置有一个导流的结构件8，该结构件不是用于引导燃料棒2并且其功能将在后面详细说明。在附图中，相邻间隔件6之间的所有间隔都设有唯一一个结构件8。然而，原则上也可以在燃料元件中在相邻的间隔件6之间设置多个结构件8。同样，不是相邻间隔件6之间的每个间隔都必须具有一个这样的结构件8。在这种情况下，这些结构件8优选设置在燃料元件的上部区域中。

按图3的示意的剖面图在明显简化的俯视图中示出一个间隔件6。由该附图可知，间隔件6形成一个由栅格板条10构成的正方形的栅格，该栅格带有大量正方形的单元格12，这些单元格布置成行14和列16。各一个控制棒导管18（和在该图的实施例中没有示出的、必要时存在的结构管）穿过一定数量的所述单元格12，该控制棒导管与贴靠在其上的栅格板条10连接、例如焊接。燃料棒2分别穿过其余的单元格12并且径向弹性地支承在这些单元格中，在图中出于清晰的原因仅示出的少量几个所述燃料棒。相互焊接的栅格板条10包括其它的、在简化的视图中没有详细示出的结构元件、例如用于支承燃料棒2的栓钉和弹性件以及导流的元件例如设置在其上侧、亦即在使用时背向流动的冷却水的侧面的凸片，以便在间隔件6的尾部（Nachlauf）中产生冷却水的混合。此外，位于边缘的栅格板条10设有在图中没有示出的、倾斜地指向燃料元件内部的凸片，这些凸片应当防止在更换燃料元件时燃料元件卡住。替代在图中示出的单壁的栅格板条10，这些栅格板条也可以设计成双壁的、带有位于内部的流动通道，如例如在由EP0237064A2已知的间隔件中的情况那样。

在图4中同样在示意的俯视图中示出的、按本发明的导流的结构件8的实施例中可见，该结构件基本上仅由四个外板条20构成，这四个外板条确定一个垂直于纵向中轴线4定向的平面并且包围燃料元件的一个正方形的内部区域，该内部区域的中心点M位于纵向中轴线4上。在所示的例子中，外板条20设置在燃料元件的侧边缘上并且形成一个连接在一起的框架，该框架包围燃料元件的所有单元格12。原则上，外板条20也可以比燃料元件的侧向尺寸短，从而当外板条设置在边缘上时，外板条20不包围燃料元件。此外，外板条20也可以设置在燃料元件内部，例如与边缘间隔一行14或一列16地布置并且在这种情况下也形成一个连接在一起的框架。

外板条20结构相同并且彼此相对的外板条20关于沿轴向延伸的中心平面21镜面对称地布置。

在外板条20上固定有条状的支架22，这些支架与控制棒导管18焊接，以便以这样的方式将结构件8固定在燃料元件中。在实例中，这是这样的控制棒导管18，这些控制棒导管设置在通过阴影线突出显示的由控制棒导管18确定的正方形的内部区域24的角点上，其中，所有控制棒导管18位于该内部区域24之内。相应地，支架22仅延伸直至位于角点上的控制棒导管18，并因此比在图中所示的栅格板条10短。支架22不必强制在位于内部区域24的角点上的控制棒导管18上导引，而是原则上也可以与其它的位于边缘上或者内部区域24之内的控制棒导管18焊接。同样，替代两个支架22，也可以为每个外板条设置一个或者多于两个支架22。

在按图5的实施例中，支架22设计成窄的接板，这些接板平行于用阴影线示出的位于内部的栅格板条10在内部区域24的边缘上延伸，并且在燃料元件的整个宽度上延伸，也就是说具有与栅格板条10一样的纵向长度。

在按图4和5的实施例中，通过结构件8不是形成与间隔件的单元格12相应的单元格，分别仅一个唯一的燃料棒2被引导穿过所述单元格。

在按图6的实施例中，平行于每个设置在燃料元件的侧边缘上的外板条20、分别与一行14或一列16间隔开地附加地设有内板条26，这些内板条相互间地与外板条20和同样按图5构造成接板的支架22焊接并且同样形成一个连接在一起的框架，该框架包围燃料元件的一个正方形的内部区域。支架22和内板条26在燃料元件的角区域中分别形成四个单元格27，各一个燃料棒被引导穿过这四个单元格。通过结构元件8形成的单元格27的数量在此始终明显小于燃料元件中的燃料棒的总数，以便将通过结构件8产生的流动阻力保持得尽可能小。

替代于图中所示的实施形式，内板条26也可以与图4的短的支架22组合。

在所有的实施例中，通过结构元件8形成的、位于一行14或列16中的单元格27的数量小于分别位于该行14或列16中的燃料棒的数量。换句话说，包含在外板条20、必要时存在的内板条26和支架22之间的燃料棒2的数量明显大于由结构件8必要时形成的单元格27的数量。

由图7可见，在图4中所示的结构件8的每个外板条20在其下棱边28上、也就是在其在运行状态面向向上流动的冷却水K的纵向侧上设有转向凸片30，这些转向凸片指向燃料元件的内部。这些转向凸片30伸入位于布置在燃料元件边缘上的燃料棒2之间的间隔或间隙中。它们用于将冷却水K引入在相邻的燃料元件之间由外板条20形成的间隙32中。在图中示意示出一个相邻的燃料元件的外板条20。此外由图7可知，外板条20与在控制棒导管18上的构造为窄金属板的支架22焊接。在此，该金属板的高度优选小于在间隔件中使用的栅格板条的高度，以便在足够的稳定性时将由附加的结构件产生的流动阻力减小到最小。

外板条20的上面的纵向侧优选与下面的纵向侧一样设有指向内部的凸片34，这些凸片与下面的转向凸片30不同地主要作为滑动斜部用于使燃料元件装入堆芯或从堆芯拆出变容易。

在外板条20的按图8的俯视图中可见，设置在纵向侧上的转向凸片30或者凸片34具有类似于梯形的形状。

由图9可见，在按图6的实施例中与外板条20相邻的内板条26在其下面的纵向侧同样设有指向燃料元件内部的转向凸片30。

外板条20的高度H1优选小于内板条26的高度H2。高度差与转向凸片30的尺寸和倾斜角α这样地相互协调，使得它们几乎位于一个共同的平面内，以便用这种方式使从下面流入的冷却水K有效地转向到位于相邻燃料元件的外板条20之间的间隙中。

不仅外板条20而且内板条26分别结构相同并且相对于燃料元件的沿轴向延伸的中心平面镜面对称地构造，使得当燃料元件的所有侧面上的流动情况相同时，由它们通过使从下面流入的冷却水转向对燃料元件施加的横向力相互平衡。

设有按本发明的结构件8的燃料元件的工作原理示意性地在用于压水核反应堆的理想堆芯的图10至12中示出，该压水核反应堆的燃料元件在结构上这样设计，使得对于在堆芯中的所有燃料元件没有弯曲并且位于在燃料元件之间的间隙一样大的情况，通过轴向地在这种理想的或者均衡的燃料元件中或旁流动的冷却水不对燃料元件施加液压的横向力。

图10现在示出这样一种情形，其中，设置在堆芯中的燃料元件之一、在实例中是位于位置III处的燃料元件具有典型的初始挠曲（如其在真实的燃料元件中观察到的那样），而其余的在一行中分别相邻的理想的燃料元件仍具有直线的形状。在这种理想化示出的情况中，在直线的燃料元件之间的间隙分别具有相同的宽度b并且在堆芯周边40和位于堆芯边缘上的燃料元件之间具有宽度b₀。由于在位置III中的燃料元件的挠曲，在该燃料元件和在位置II或IV中的相邻燃料元件之间的间隙32a、b具有间隙宽度b_a≠b_b。现在，这些不同的间隙宽度b_a>b和b_b<b使得对在位置II或IV中的燃料元件产生向右指向的力F_II或F_IV，而在位置III中的燃料元件上作用向左指向的力F_III。

这针对在位置II和III中的燃料元件在图11中详细说明。从下面流入的冷却水K由倾斜到结构件8内部的转向凸片30加速。在此，冷却水K优选朝较宽的间隙32a的方向流动，因为该较宽的间隙的液压阻力小于较窄的间隙32的液压阻力。因此，冷却水K以比在间隙32a中更低的速度v<v_a在该较窄的间隙32中流动。这导致在较宽的间隙32a中存在比在间隙32中低的压力，从而对在位置II中的燃料元件施加在图中向右指向的力F_II。相应地，对位于位置III中的燃料元件施加向左指向的力F_III。

作用到在位置II和IV中的燃料元件上的力F_II或F_IV现在会导致以前不挠曲的燃料元件的挠曲，该挠曲将复制传播到堆芯的所有燃料元件上，直至所有燃料元件在平衡状态具有相同指向的C-弧形的挠曲（如这在图12中用虚线示出的燃料元件所示）。

这种相同指向的挠曲又会导致，按图12存在于在位置I中的燃料元件和堆芯周边40之间的间隙32会增大到宽度b₀’>b₀。相应地，在位于右边缘上的燃料元件和堆芯周边40之间的间隙32会减小到宽度b₀”<b₀。以这种方式，在所示的例子中，在外部的燃料元件上将分别作用朝左指向的力F，所述力反作用于前述的效应，从而通过由堆芯周边40创造的边缘条件引起在堆芯中的平衡情况，在该平衡情况中，所有燃料元件恢复或者重新获得基本上直线的定向。显然，当所有间隙、也就是不仅在相邻燃料元件之间的间隙而且在位于堆芯边缘上的燃料元件和堆芯周边之间的间隙几乎一样大时，这种自动平直过程结束。

在图10和12中所示的状态示出理想的情况，这种理想的情况以相应理想的燃料元件为前提，其中，在现有技术中观察到的、液压导致的效应不出现。如果在现有技术中已知的、其中即使在直线定向和相同的间隙宽度时也出现开头所述的液压导致的横向力的燃料元件装备有按本发明的结构件8，则挠曲虽然不能完全避免、但至少可以减小到容许的程度。当仅堆芯的一部分装备有按本发明的燃料元件或者不是所有位于堆芯中的燃料元件具有一个或多个按本发明的结构件8时，就已经施加了这种减小堆芯燃料元件挠曲的作用。

在此，本发明的重要的基本构思在于，通过按本发明的导流的结构件8的存在，在出现挠曲和出现不同的间隙宽度时对燃料元件施加液压导致的力，所述力反作用于产生挠曲的力，从而在平衡状态仅会形成不重要的挠曲并且整个堆芯总是具有笔直定向的趋势。

Claims (8)

1.用于压水核反应堆的燃料元件，具有以下特征：

a）大量燃料棒（2）被引导在多个沿纵向中轴线（4）的方向间隔开的间隔件（6）中；

b）所述间隔件（6）分别形成一个由栅格板条（10）构成的正方形的栅格，该栅格带有多个第一单元格（12）；

c）所述第一单元格（12）布置在行（14）和列（16）中；

d）至少在两个轴向相邻的间隔件（6）之间设置一个导流的结构件（8）；

e）所述导流的结构件（8）包括四个外板条（20），这四个外板条在一个垂直于纵向中轴线（4）定向的平面内围成一个正方形的内部区域（24），该内部区域的中心点（M）位于纵向中轴线（4）上；

f）所述外板条（20）在它们的在运行状态朝向流动的冷却水的、下面的纵向侧设有指向内部区域的转向凸片（30）；

g）各所述外板条（20）结构相同并且彼此相对的外板条（20）关于沿轴向延伸的中心平面（21）镜面对称地布置；

h）所述导流的结构件（8）最多为数量比燃料元件中的燃料棒的总数少的燃料棒（2）形成第二单元格（27），各一个燃料棒（2）被引导穿过所述第二单元格；其中，

i）位于一行（14）或一列（16）中的所述第二单元格（27）的数量小于分别位于该行（14）或该列（16）中的燃料棒的数量。

2.如权利要求1所述的燃料元件，其中，由导流的结构件（8）形成的第二单元格（27）仅仅位于燃料元件的角部区域中。

3.如权利要求1或2所述的燃料元件，其中，所述外板条（20）设置在燃料元件的侧边缘上。

4.如权利要求1或2所述的燃料元件，其中，所述外板条（20）形成一个连接在一起的框架。

5.如权利要求1所述的燃料元件，其中，为每个外板条（20）配设一个平行于该外板条延伸的内板条（26），该内板条在其朝向流动的冷却水（K）的、下面的纵向侧上设有指向内部区域（24）的转向凸片（30），其中，各所述内板条（26）结构相同并且彼此相对的内板条（26）关于沿轴向延伸的中心平面（21）镜面对称地布置。

6.如权利要求5所述的燃料元件，其中，在外板条（20）和内板条（26）之间仅设置一行（14）或一列（16）燃料棒（2）。

7.如权利要求5或6所述的燃料元件，其中，所述内板条（26）的下面的纵向侧设置在外板条（20）的下面的纵向侧下方。

8.如权利要求5或6所述的燃料元件，其中，所述内板条（26）形成一个连接在一起的框架。