CN103299371A - 核燃料棒充气室弹簧组件 - Google Patents

Abstract

一种核燃料棒充气室弹簧组件，其具有被附接到接地扭转弹簧的下端的间隔件。间隔件在其下侧具有压靠上燃料芯块的上表面的大致平坦的表面，从而将弹簧的负载散布在最上方燃料芯块的顶面上。

Description

核燃料棒充气室弹簧组件

技术领域

本发明总体上涉及一种核反应堆内部结构，更具体地涉及到诸如燃料棒的部件，所述部件使用包壳内被充气室弹簧保持在适当位置的有效成分。

背景技术

用加压水冷却的核反应堆发电系统的一次侧包括被隔离并与用于生产有用能量的二次侧成热交换关系的闭合回路。一次侧包括包围堆芯内部结构的反应堆容器，所述容器支撑多个包含裂变物质的燃料组件、换热式蒸汽发生器内的一次回路、加压器的内部空间、用于循环加压水的泵和管；所述管将每个蒸汽发生器和泵独立地连接到反应堆容器。一次侧的每个部分包含蒸汽发生器、泵和从一次侧的环路连接到容器的管系统。

为了展示，图1示出了一种简化的核反应堆一次系统，其包括具有封闭核堆芯14的封盖12的大体上圆柱形的反应堆压力容器10。诸如水的液体反应堆冷却剂被泵16穿过堆芯14泵送入容器10，在堆芯14处热能被吸收，然后被排放到典型地被称为蒸汽发生器的换热器18，在所述换热器中热量被传递到利用回路(未示出)，比如蒸汽驱动的涡轮发电机。之后所述反应堆冷却剂返回到泵16，完成一次环路。典型地，多个上述环路通过反应堆冷却剂管20连接到单个反应堆容器10。

示例性的反应堆设计在图2中更详细地示出。除了包括多个平行的、竖直共同延伸的燃料组件22的堆芯14以外，为了便于描述，其他的容器内部结构被划分为下堆内结构24和上堆内结构26。在常规的设计中，下堆内结构的功能是支撑、对准和引导堆芯部件和仪器，以及引导容器内的流动。上堆内结构约束燃料组件22或为燃料组件22(在该图中为了简洁仅示出了两个)提供二次约束，并支撑和引导仪器与诸如控制棒28的部件。在图2所示的示例性反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴30进入反应堆容器10，向下流过容器和芯筒32之间的环形空间，在下充气室34中转向180°，向上流过下支撑板37和安置有燃料组件22的下堆芯板36，然后流过并包围所述燃料组件。在某些设计中，下支撑板37和下堆芯板36被位于37所示的相同高度的单个结构，下堆芯支撑板，所取代。对于四环路设备来说流经堆芯和周围区域38的冷却剂典型地大约为400000加仑每分钟这么大(一般地，每个环路的流量大约是100000加仑每分钟)，速度大约是20英尺每秒。所产生的压力降和摩擦力趋于使燃料组件抬升，这种运动受到包括圆形上堆芯板40在内的上堆内结构的限制。离开堆芯14的冷却剂沿着上堆芯板40的下侧流动，并向上经过多个穿孔42。然后冷却剂向上径向地流到一个或多个出口喷嘴44。

上堆内结构26能够由容器或容器盖支撑，并包括上支撑组件46。负载通过支撑柱48主要在上支撑组件46和上堆芯板40之间传递。支撑柱在选定的燃料组件22和上堆芯板40中穿孔42的上方对齐。

可直线运动的控制棒28典型地包括被控制棒导向管54引导穿过上堆内结构26并进入对准的燃料组件22内的中子毒物棒的驱动轴50和蛛状组件52。所述导向管在一端被固定地连接到上支撑组件46并在另一端通过被强制装入上堆芯板40的顶部的开尾销而连接到上堆芯板40的顶部。所述销结构使得在需要时导向管的组装和替换变得容易，并且保证堆芯负载，特别是在地震或其他高负载突发状况下的堆芯负载主要由支撑柱48而不是所述导向管54承担。这种支撑柱布置有助于在突发状况下阻止会对控制棒插入能力产生不利影响的导向管变形。

图3是总体上用附图标记22表示的燃料组件的正视图，以竖直缩短的形式呈现。所述燃料组件22是用于压水反应堆的类型，并且具有在其下端包括底部喷嘴58的结构骨架。底部喷嘴58将燃料组件22支撑在核反应堆堆芯区域内的下堆芯支撑板36上。除了底部喷嘴58以外，燃料组件22的结构骨架还包括在其上端的顶部喷嘴62，以及在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间纵向延伸并在相反端刚性附接到底部喷嘴58和顶部喷嘴62的多个引导套管54。

燃料组件22还包括沿引导套管54(也被称为导向管)轴向隔开并安装在引导套管54上的多个横向格栅64，以及由所述格栅64支撑并横向隔开的细长燃料棒66的有组织阵列。虽然在图3中看不到，但是格栅64传统上由垂直条带形成，所述条带交织成装蛋箱的图案，四个条带的相邻交界面限定了大致正方形支撑单元，通过该支撑单元燃料棒66被彼此横向隔开地支撑。在很多常规的设计中，弹簧和凹槽被冲压在形成支撑单元的所述条带的相对壁上。所述弹簧和凹槽径向地延伸进入支撑单元并捕获它们之间的燃料棒；在燃料棒包壳上施加压力以将燃料棒保持在适当的位置。而且，组件22具有位于组件中心的仪器管68，它在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间延伸并被安装在底部喷嘴58和顶部喷嘴62上。利用这种零件布置，燃料组件22形成能被方便地处理而不会损伤零件的组件的整体单元。

如上所述，在燃料组件22的燃料棒阵列中的燃料棒66被沿燃料组件长度隔开的格栅64保持为彼此间隔。每个燃料棒66包括多个核燃料芯块70，且在它的相反两端处被下端塞72和上端塞74封闭。芯块70被设置在上端塞72和芯块堆顶部之间的充气室弹簧76保持为堆叠状。包括裂变物质的燃料芯块70负责产生反应堆的反应能。围绕所述芯块的包壳用作防止裂变副产物进入冷却剂进而污染反应堆系统的屏障。

为了控制裂变的进程，多个控制棒78可在位于燃料组件22中预定位置处的导向套管54内往复运动。具体地，被定位在顶部喷嘴62上方的棒束控制机构80支撑控制棒78。所述控制机构具有带有多个径向延伸的爪或臂52的内螺纹圆柱毂构件82。均以已知的方式，每个臂52与控制棒78相互连接，以使得控制棒机构80是可操作的，从而在与控制棒毂80相连的控制棒驱动轴50的动力的作用下，在导向套管54内竖直地移动所述控制棒，进而控制燃料组件22内的裂变进程。

如前面所述，燃料组件承受超过燃料棒重量由此在燃料棒和燃料组件上施加很大作用力的液压力。另外，在堆芯内冷却剂中存在由在多个格栅的条带上表面上的搅拌叶片所导致的明显紊流，其促进热量从燃料棒包壳传递到冷却剂。如果燃料棒的运动不受约束，很大的流动作用力和紊流能导致燃料棒包壳剧烈振动。

最近，注意到在制造期间的回填和密封之后在部分燃料棒的燃料棒充气室内发现的小芯块碎片。研究表明，造成顶部芯块碎片的一个机制是在燃料芯块的顶面上的不均匀压力分布。推断充气室弹簧的端部线圈没有与顶部芯块完全接触。这导致顶部芯块表面的某个部分承受导致碎片的很大的轴向负载。这种影响在压力测试期间被确认。应当注意到，由于对应于端部线圈弹簧几何外形的有限接触面积，充气室弹簧设计不能在作为芯块分界面的芯块顶面上提供均匀的压力分布。充气室弹簧76的更佳视图参见图4，其清楚地示出了端部线圈几何外形84。

所以，需要一种改良的将燃料芯块压制在燃料元件包壳内的手段，该手段将在顶部芯块的上表面上提供均匀的压力。

另外，需要这样一种经改良的设计，即它将有利于安装，限制不大可能的安装错误所造成的后果，以及将潜在的性能问题最小化。

发明内容

这些和其他目标都通过一种用于核堆芯中的改良的细长反应构件来实现，反应构件例如是燃料元件或控制棒。所述反应构件从基本沿着该反应构件的细长长度延伸的管状包壳形成有将该管状包壳的中心空腔的顶端密封的顶端塞以及将该管状包壳的中心空腔的底端密封的底端塞。有效元件基本上占据了中心空腔的下部，弹簧基本上在顶端塞和有效元件的上表面之间延伸，朝着底端塞挤压所述有效元件。间隔件设置在弹簧的下端和有效元件的上表面之间，与由弹簧直接施加弹簧作用力相比，其将弹簧作用力散布在有效元件上表面的更大部分上。

在一个实施例中，所述弹簧是接地扭转弹簧，并且优选地所述弹簧被机械地或者冶金地附接到所述间隔件。优选地，所述间隔件具有面朝所述有效元件上表面的基本平坦的头部，以及沿包壳的细长尺寸的轴向延伸的相反侧，所述相反侧附接到所述弹簧。理想地，相反侧的远侧部分的宽度小于所述头部的宽度，并且在头部宽度和所述远侧部分宽度之间形成圆角。

在另一个实施例中，开口从朝向有效元件上表面的一侧延伸穿过所述头部，穿过所述间隔件，延伸出所述相反侧的远端。优选地，所述开口的至少一部分具有六角形轮廓。

在所述弹簧被机械地附接于所述间隔件的一个实施例中，螺旋螺纹沿着所述间隔件的相反侧的径向表面轴向地延伸且所迷弹簧的下部围绕所述螺旋螺纹卷绕。在另一个实施例中，当所述弹簧被机械地附接于所述间隔件时，间隔件的相反侧的上部是具有径向朝外延伸的唇缘的开口管，所述唇缘机械地附接于所述弹簧。

在一个实施例中，反应构件是核燃料元件，在另一个实施例中，反应构件是核控制棒。

优选地，所述间隔件基本上是圆的，且与包壳的内壁隔开。

附图说明

当结合附图阅读时，通过对优选实施例的以下描述能更好地理解本发明，其中：

图l是能够应用本发明的核反应堆系统的简化示意图；

图2是能够应用本发明的核反应堆容器和内部部件的局部剖视的视图；

图3是以竖直缩短的形式示出的燃料组件的局部剖视的视图，为了清楚某些部件被剖视；

图4是示出了端部线圈几何外形的充气室弹簧的透视图；

图5是本发明一个实施例的螺纹间隔件的透视图；

图6是图5所示的实施例的截面图；

图7是本发明间隔件的双槽开口管实施例的透视图；

图8是本发明间隔件的四槽开口管实施例的透视图；

图9是本发明的间隔件—弹簧组件的焊接垫圈实施例的侧视图。

具体实施方式

为了实现前述目标，本发明引入了在充气室弹簧和燃料芯块堆的顶部芯块之间的中间部分，从而产生均匀的接触分布并减少在燃料棒充气室和芯块堆之间的碎片移动可能性。在顶部芯块和弹簧端部线圈之间的新中间元件被设计为提供均匀的压力分布且减低碎片移动的可能性。理想地，所述元件被附接于已有的充气室弹簧。在一个实施例中，如图5和6所示，所述中间元件是形成了充气室弹簧和顶部芯块的顶面之间的交界面的螺纹间隔件86。所述间隔件86被设计为在它的基本平坦的头部88之上在顶部芯块的顶面上提供均匀的接触压力以及减少小型芯块碎片移动的可能性。所述螺纹间隔件还具有便于间隔件-弹簧组装工艺的特征。所述螺纹间隔件86具有中心孔90，便于在充气室弹簧组件被不正确安装的不大可能的情况下对燃料棒适当地加压，从而防止任何与性能相关的问题。如果燃料棒没有被适当地用He加压，那么由于高系统外部运行压力不被适当的燃料棒内部压力所补偿，燃料棒将会发生直径缩小，这会降低燃料组件格栅弹簧所施加的保持力。而且，由于芯块和包壳之间的低导热性，不适当的加压会导致燃料元件的运行温度升高，可能导致过度的包壳腐蚀以及潜在的燃料熔化。这些性能问题的任何一个都能导致燃料棒失效，从而导致不期望的裂变产物被释放到冷却剂中。中心孔90在它的位于平坦头部88中的开口处具有六角形轮廓92，以便于将间隔件86的管状后部连接到弹簧76。所述管状后部具有从相反端部96延伸到距离头部88后侧很短距离的螺旋螺纹94。六角形工具能够被插入所述六角形开口92中，从而将间隔件86卷绕在充气室弹簧76上，直到所述端部线圈紧贴在所述头部88的背面上。

理想地，所述螺纹间隔件86是一个在燃料元件的轴向上基本包括两个功能区的机加工件：芯块／包壳交界区88和弹簧交界区98。优选地，间隔件86的总长度应当防止间隔件在包壳内侧旋转。间隔件的芯块／包壳交界88最大直径应当在所有情况下小于芯块最小外径，以保证间隔件不会影响包壳的结构整体性。优选地，芯块／包壳交界区88最大长度，即，沿燃料元件轴向的尺寸，应当尽可能做到最小。芯块／包壳交界长度最小值受到均匀分布弹簧力的能力和制造期间变形的限制。芯块／包壳交界长度的最大值受到额外弹簧压缩和棒内压力损失的限制。一般地，在燃料棒制造期间充气室弹簧被压缩到在针对每种燃料棒类型的作用力范围内的预定作用力。在该范围内的最大作用力被建立以保证燃料棒焊点和芯块的结构整体性。高于所述范围所设定的最大值的作用力会削弱产生适当端塞焊接的能力。充气室弹簧的压缩量由充气室长度控制。燃料元件包壳内的自由空间必须收纳在反应堆运行期间释放的裂变气体。所以，充气室体积的任何减少都会导致在燃料棒的工作寿命期间其内部压力的增加，这可能导致燃料棒外径的不可预测的增加，从而导致包壳和芯块之间的导热性降低。芯块／包壳交界区88会减少充气室长度和充气室容积，并增大充气室弹簧的挠曲／作用力和棒内部压力。已经确认，间隔件的芯块／包壳区的长度是可接受的，只要它在弹簧的设计中包括进去。在所述头部88的背侧和管状段102之间应该设有圆角半径直00，从而防止在芯块处的压力集中到间隔件承载面。在弹簧交界区98上的螺纹的尺寸和轮廓取决于弹簧设计，从而允许在弹簧丝和螺纹轮廓之间形成正确的装配。螺纹消失区是在螺纹94和圆角100之间的区域，且螺纹消失区的直径加上两倍弹簧交界面圆角半径应当不超过最小弹簧内径，以保证弹簧端部线圈和间隔件86之间的合适交界。中心孔90的直径应当设置为允许在“不正确”组件安装的情况下对燃料棒加压，六角形尺寸应当足够大以施加在组装期间所需的转矩。转矩应当足够大以在运输和操控期间防止间隔件“变”松，以及减轻在安装期间的弹簧损伤。

压力测试已经表明，所述间隔件能提供均匀的压力分布，并确认了所述间隔件设计减少了小型芯块碎片的频率。另外，所述实施例的燃料棒充气室弹簧组件设计能满足设计目标，从而在芯块-间隔件接触中提供均匀的压力分布，并且能减少小型芯块碎片移动的可能性。所述设计还包括有利于间隔件安装、限制不大可能的安装错误所导致的后果以及使潜在的性能问题最小化的特征。

图7、8和9示出了在图5和6中所示的螺纹间隔件的替换实施例。图7、8和9中所示的实施例均具有相同的平坦头部88，和之前关于在图5和6中所示的螺纹间隔件描述的一样。在图7和8中，间隔件的后侧是开槽管状构件106，在图7的实施例中具有间隔180°的槽，而在图8的实施例中具有间隔90°的槽。这两种实施例均具有装配在弹簧76的一圈上的唇缘108，从而将间隔件固定到弹簧。在图9中所示的实施例中，所述头部88被直接地焊接到所述充气室弹簧76的端部线圈。

虽然本发明的具体实施例已经被详细地描述，但是本领域技术人员应当理解，根据本文的整体教导还能发展出对那些细节的各种改变和替换。例如，虽然之前的实施例被描述为用于核燃料元件，但是本文所教导的弹簧和间隔件组件也能被用于控制棒，其中有效元件将是中子吸收剂而不是裂变燃料芯块。所以，所公开的具体实施例仅表示示意性的，而不是限制本发明的范围，本发明的范围将在后附权利要求及其所有等同物的完全解释中给出。

Claims (15)

1.一种用于核堆芯（14）的细长反应构件（66），包括：

基本上延伸反应构件（66）的细长长度的管状包壳；

密封所述管状包壳的中心空腔的顶端的顶端塞（72）；

密封所述管状包壳的中心空腔的底端的底端塞（74）；

基本上占据所述中心空腔的下部的有效元件（70）；

基本上在所述有效元件（70）的上表面和所述顶端塞（72）之间延伸的弹簧（76），所述弹簧朝所述底端塞（74）挤压所述有效元件；

在所述弹簧（76）的下端和所述有效元件（70）的上表面之间的间隔件（86），与由所述弹簧直接施加弹簧作用力相比，所述间隔件将弹簧作用力散布在所述有效元件的上表面的更大部分上。

2.根据权利要求1所述的反应构件（66），其中所述弹簧（76）是接地扭转弹簧。

3.根据权利要求1所述的反应构件（66），其中所述弹簧（76）附接到所述间隔件（86）。

4.根据权利要求3所述的反应构件（66），其中所述弹簧（76）机械地附接到所述间隔件（86）。

5.根据权利要求4所述的反应构件（66），其中所述间隔件（86）具有面朝所述有效元件（70）的上表面的基本平坦的头部，以及沿所述包壳的细长尺寸的轴向延伸的相反侧，所述相反侧被机械地附接到所述弹簧（76）。

6.根据权利要求5所述的反应构件（66），其中所述相反侧（96）的远侧部分的宽度小于所述头部（88）的宽度，并且在所述头部的宽度和所述远侧部分的宽度之间形成圆角（100）。

7.根据权利要求5所述的反应构件（66），其中开口（90）从面朝所述有效元件（70）的上表面的一侧延伸穿过所述头部（88），穿过所述间隔件（86），并且伸出所述相反侧（96）的远端。

8.根据权利要求7所述的反应构件（66），其中所述开口（90）的至少一部分具有六角形轮廓（92）。

9.根据权利要求5所述的反应构件（66），其中螺旋螺纹（94）沿着所述间隔件（86）的相反侧（96）的径向表面轴向地延伸，并且所述弹簧（76）的下部围绕所述螺旋螺纹卷绕。

10.根据权利要求5所述的反应构件（66），其中所述间隔件（86）的相反侧（96）的上部是具有径向朝外延伸的唇缘（108）的开口管（106），所述唇缘机械地附接于所述弹簧（76）。

11.根据权利要求3所述的反应构件（66），其中所述弹簧（76）的下端被焊接到所述间隔件（86）。

12.根据权利要求1所述的反应构件（66），其中所述反应构件是核燃料元件。

13.根据权利要求1所述的反应构件（66），其中所述反应构件是核控制棒（28）。

14.根据权利要求1所述的反应构件（66），其中所述间隔件（86）基本上是圆的，且与包壳的内壁隔开。

15.一种具有多个核燃料元件（66）的核燃料组件（22），核燃料元件中的至少一些包括：

基本上延伸核燃料元件（66）的细长长度的管状包壳；

密封所述管状包壳的中心空腔的顶端的顶端塞（72）；

密封所述管状包壳的中心空腔的底端的底端塞（74）；

基本上占据所述中心空腔的下部的核燃料芯块（70）的阵列；

基本上在所述核燃料芯块（70）的上表面和所述顶端塞（72）之间延伸的弹簧（76），所述弹簧朝所述底端塞（74）挤压所述核燃料芯块；以及

位于所述弹簧（76）的下端和所述核燃料芯块（70）的上表面之间的间隔件（86），与由所述弹簧直接施加弹簧作用力相比，所述间隔件将弹簧作用力散布在所述核燃料芯块的上表面的更大部分上。

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