CN103377715A - 由相交金属条带制成的用于核燃料组件的下端配件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料组件，该燃料组件包括多根燃料棒、多个引导管、上端配件以及下端配件，该多根燃料棒相互平行地设置，其中燃料棒包括裂变材料，该多个引导管平行于燃料棒地设置并且散布在燃料棒之间，该上端配件与引导管的上端连接，而下端配件与引导管的下端连接。上端配件和下端配件中的至少一个包括由互锁金属条带形成的格架，该互锁金属条带在金属条带之间的相交部处固定在一起。

Description

由相交金属条带制成的用于核燃料组件的下端配件
技术领域
本申请要求2012年4月17日提交的美国临时申请第61/625，386号的权益，在2012年4月17日提交的美国临时申请61/625，386的全文在此以参见的方式纳入到本申请的说明书中。
以下涉及核反应堆技术、核发电技术、核反应堆流体动力学设计技术以及相关技术。
背景技术
在一体式压水反应堆(一体式PWR)型的核反应堆设计中，核反应堆堆芯被浸入位于或靠近压力容器底部的主冷却水中。在典型的设计中，主冷却剂在通常直立安装(即，其筒体轴线垂直定向)的筒形压力容器中保持在过冷的液相。中空筒形中央立管同心地布置在压力容器内。主冷却剂问上流过反应堆堆芯，在反应堆堆芯处主冷却剂被加热，并且，主冷却剂上升经过中央立管，从中央立管的顶部排出，并反问向下经过形成在压力容器和中央立管之间的下降环腔流回到反应堆堆芯。在一体式PWR设计中，至少一个蒸汽发生器位于压力容器内部。一些示例性一体式PWR设计在其全部内容以参见的方式纳入本文的2010年12月16日公开的美国公开第2010/0316181Al号的Thome等人的“Integral Helical Coil Pressurized WatefNuclear Reactof(一体式螺旋线圈压水核反应堆)”中描述。诸如具有外部蒸汽发生器的PWR设计、沸水反应堆(BWR)等的其它轻水核反应堆设计中改变蒸汽发生器和其它部件的布置，但通常将辐射堆芯定位在筒形压力容器的底部处或附近，从而会增大在冷却剂丧失事故(LOCA)中反应堆堆芯保持浸在冷却剂中的可能性。
核反应堆堆芯由多个燃料组件组成。每个燃料组件包括多根燃料棒。精确地限定燃料棒之间间隔的定位格架沿燃料组件的长度垂直地间隔开。在燃料组件的顶部和底部处分别是提供结构支承的上端配件和下端配件。有时被称为下喷嘴的下端配件(LEF)可由下堆芯支承板、支承基座等来支承。
下端配件是冷却剂流入燃料组件的入口。燃料组件还包括散布在燃料棒之间的引导管。将包括中子吸收材料的控制棒插入和提出燃料组件的引导管，以控制堆芯反应。引导管焊接于定位格架组件，并通过紧固件附连于上端配件和下端配件，以形成用于燃料组件的结构支承。一些示例性的紧固件设计其全部内容以参见的方式纳入本文的2012年4月16日提交的美国专利申请13/447，655、“Lowef End Fitting Locknut fof Nuclear FuelAssembly(用于核燃料组件的下端配件锁定螺母)”中进行描述。大多数下端配件都包括机加工或铸造的主结构构件，且一个或多个其它构件(例如，引导管端部插塞、过滤板等等)可固定于该主结构构件。LEF可包括斜切边缘，以将燃料组件引导到堆芯中，而无需悬置在其它相邻组件上。包括过滤板的一种下端配件在授予Riordan的美国专利5，094，802中进行描述，该专利披露了碎片过滤器，该碎片过滤器呈附连于下端配件的过滤板的形式。
本文所披露的是提供阅读下文后对本领域熟练的技术人员来说变得显而易见的各种好处的改善。
发明内容
根据一个方面，一种设备包括燃料组件，该燃料组件包括多根燃料棒、多个引导管、上端配件以及下端配件，该多根燃料棒相互平行地设置，其中燃料棒包括裂变材料，该多个引导管平行于燃料棒设置并且散布在燃料棒之间，该上端配件与引导管的上端连接，而下端配件与引导管的下端连接。上端配件和下端配件中的至少一个包括由互锁金属条带形成的格架，该互锁金属条带在金属条带之间的相交部处固定在一起。
相交的金属条带能在金属条带之间的相交部处焊接在一起。互锁金属条带的终端能由外部条带界定。格架可包括多个相同、大致相同或不同尺寸的开口。下端配件可包括由互锁金属条带形成的所述格架，该互锁金属条带在金属条带之间的相交部处固定在一起。引导管的下端可包括与下端配件连接的引导管端部插塞。引导管端部插塞可包括非圆形的突部，用以与下端配件中的非圆形格架开口匹配。互锁金属条带可包括冲压金属条带。互锁金属条带可包括不锈钢、因科镍合金或锆合金。
根据另一方面，一种组件包括多个定位格架、多个引导管以及下端配件，该多个引导管延伸穿过定位格架，而下端配件附连于引导管的下端，该下端配件包括由相交金属条带形成的格架，该相交金属条带在金属条带之间的相交部处固定在一起。相交的金属条带能在金属条带之间的相交部处焊接在一起。在一个示例实施例中，下端配件并不包括机加工或铸造构件。相交金属条带的端部可至少部分地由一个或多个外部条带界定。在一个示例实施例中，金属条带并不包括核燃料棒保持结构。在另一示例实施例中，金属条带并不包括构造成与核燃料棒配合的弹簧或凹窝。该组件还可包括成束燃料棒和上端配件，该成束燃料棒包括裂变材料并且由定位格架保持在一起，该上端配件附连于引导管的上端，其中包括定位格架、引导管、下端配件、上端配件以及该成束燃料棒的组件形成了核燃料组件。
根据另一方面，一种方法包括以相交的结构来设置多个金属条带以形成格架，将金属条带在这些金属条带间的相交部处固定在一起以形成端部配件，以及将引导管的端部附连于这些端部配件。固定可包括将金属条带在金属条带之间的相交部处焊接在一起。该方法还可包括通过冲压工艺来形成金属条带。
根据又一方面，一种设备包括用于核燃料组件的端部配件，该端部配件包括相交金属条带的组件，该相交金属条带在条带之间的相交部处固定在一起。相交的金属条带能在条带之间的相交部处焊接在一起。在一个示例实施例中，金属条带并不包括用于与核燃料棒配合的保持结构。
附图说明
图1示意地示出具有下端配件的燃料组件的侧视图。
图2是根据本发明的示例性下端配件的俯视立体图。
图3是图2所示示例性下端配件的平面图。
图4A是图2所示示例性下端配件的侧视图。
图4B是图4A的放大部分。
图5是垂直地剖过图2和3所示示例性下端配件的引导管插塞的局部剖视图。
图6是图5所示的示例引导管插塞的仰视图。
具体实施方式
图1示出总地由标记10表示的典型核燃料组件。燃料组件10通常是用于压水反应堆(PWR)、沸水反应堆(BWR)或其它轻水核反应堆的燃料组件，并包括多个燃料棒12、定位格架14、引导管16、上端配件18和下端配件20。在安装好的构造中，燃料棒12大致垂直定向，不过可设想与精确的重力垂直方向有一定偏差，例如是在可相对于洋流或船舶机动倾斜的海上核反应堆中。燃料棒12以阵列的形式由定位格架14保持间隔开。引导管16延伸经过定位格架14，并在它们的端部处与上端配件18和下端配件20连接。定位格架14、引导管16和端部配件18、20的组件焊接在一起和/或通过紧固件附连，以形成燃料组件10的结构骨架。引导管16是中空管，这些中空管用作控制棒的引导件以及用作仪器或传感器(元件未示出)的导管。上端配件18和下端配件20为燃料组件10提供结构和承载支承，并具有开口以允许冷却剂垂直地流经燃料组件10。下端配件20可搁置于反应堆的下堆芯支承板(未示出)上，且在下堆芯支承板内的冷却剂入口的上方，这些冷却剂入口将冷却剂问上引导到燃料组件。替代地，在一些实施例中，问上的主冷却剂流足以在反应堆运行期间提升燃料组件，在此情况下，上端配件18(或置于配件内的弹簧未示出)压抵上板或其它“止挡件”。所示燃料组件10仅是示例，且燃料组件可具有不同数目的燃料棒、非正方形横截面(例如，在一些实施例中为六边形横截面)、不同数目和结构的引导管等。
[0018]参见图2，下端配件20是基本上平面的方形构件，且多个相交且互锁的条带22(内部条带，有时也称为内部嵌带)形成格架5，该格架具有形成在互锁条带22之间的多个开口或流道24。尽管示出的下端配件20是正方形的，但更一般地，下端配件的尺寸和形状设计成与燃料组件10的横截面匹配。在所示出的实施例中，条带22以直角相交，由此形成具有大体方形形状的流道。然而，这些流道也可基于互锁条带22的间隔和相交角度而具有各种形状，例如菱形或矩形。此外，条带的间隔以及所产生的开口尺寸对于整个格架S而言无需是均一的。
进一步参见图3和4A，外部条带32(同样，有时称为外部嵌带)对互锁条带22的格架5的周缘定界。内部条带22的终端可包括成对的凸起36等等，这些凸起适合于接纳到外部条带32中的相对应的凹槽或孔38中。外部条带32和互锁(内部)条带22能在它们的互锁相交部处焊接在一起，这将在下文进行更详细地描述。
四个销子44附连于互锁条带的格架的底部，用以使燃料组件与下堆芯板对齐。每个销子44都利用一个或多个紧固件48、例如螺栓等等固定于格架S。这些紧固件构造成穿过流道24中的一个。或者，销子44能通过焊接或以任何其它合适的方式固定于格架S，或者销子44能由另一种支承构件替代，或者可省略销子而格架可以是自支承的。
多个引导管插塞52围绕格架S的相对表面设置，这些引导管插塞构造成与相对应的引导管64匹配。在将引导管插塞穿过对应的流道24之前，将引导管插塞52较佳地焊接于引导管64，以形成引导管组件70(图5)。引导管插塞52类似于脚部44使用诸如螺母54之类的合适紧固件固定于格架S，这些螺母被拧紧到引导管插塞52的延伸穿出相对应流道24的带螺纹螺柱上，这在图5中最佳示出。或者，引导管插塞52能通过焊接或其它技术固定在格架S的开口中。虽然示出了引导管插塞52，然而在一些实施例中，可设想的是，引导管的端部能在不利用插塞或其它插入构件的情形下直接插入到格架开口中。
参见图5和6，引导管插塞52可包括防转动突部60，该防转动突部适合于接纳在流道24中，以防止引导管组件70(见图5，对应的引导管60以虚线显示为附连于引导管插塞52)在固定于格架S时转动。突部60具有与流道24的形状相对应的非圆形截面形状。在所示出的实施例中，突部60大体是方形的，且适合于紧紧地接纳在流道24内。在安装引导管组件70的过程中，突部60有助于防止带螺纹螺柱56随着拧在其上的螺母54转动。在组装之后，突部60进一步用于防止引导管组件70在安装和操作过程中的转动。
条带23、32可由较宽范围的材料制成，例如不锈钢、因科镍合金(Inconel)、各种锆合金或者在反应堆环境中稳固的其它金属或金属合金。可使用冲压工艺来产生各个条带。以下文示例的方式从这些条带组装下端配件。首先，将对称内部条带22组装成蛋筐(即，形成格架S)。条带22通常包括切口、槽或凹口用以互锁条带。然后，将四根外部条带32附连于格架S的周缘。通过合适的焊接过程、例如激光焊接等等来焊接这些相交部和边缘。外部条带32可定位成外部条带32的边缘之间的焊接是在下端配件20的角部或脚部之间的任何位点处发生。在一些实施例中，可使用较长或较短长度的外部条带32，从而用多于或少于四根的外部条带32包围格架S的周边。
所披露的通过互锁金属条带而形成的下端配件具有类似于定位格架的一些优点，这些定位格架有时也构造成互锁条带的组件。因此，用于构造定位格架的现有制造系统、例如高速机器人激光焊接系统也可用于执行类似的制造操作，来构造所披露的下端配件。然而，所披露的下端配件与定位格架相比具有显著的结构和功能区别。不同于定位格架，本文披露的下端配件通常并不接触燃料棒或者用于将燃料棒隔开，由此下端配件的互锁条带并不包括弹簧、凹窝或其它燃料棒保持结构。同理，由于下端配件并不用于形成燃料棒之间的间隔，因此与定位格架的情形相比，下端配件能使其金属条带间隔得更近，这可增强下端配件的结构强度并且使得格架S的开口24能将尺寸设定成执行碎片过滤或其它有用的功能。(与此相反，如果发现对于定位格架较宽的条带间隔就能提供充足的结构强度，则较宽的间隔可用于降低材料成本，提供减小的流阻或者用于其它设计目的)。在一些实施例中，将开口24的尺寸设定成使得控制杆管件锁定设备的螺栓部分能穿过其中，然而也可设想较大或较小的开口24。在其它实施例中，开口24的尺寸大于燃料棒的尺寸，并且使用附加的燃料棒保持设备，以防止燃料棒向下穿过下端配件而掉出。
在一变型实施例中，本文披露的包括互锁条带的下端配件还用作用于燃料棒的最下方定位格架。在该变型实施例(未示出)中，下端配件中的条带间隔与定位格架中的条带间隔相当，且燃料棒的最下方端部插入到开口中。在该情形中，组合的定位格架/下端配件的总高度可选地大于单个下端配件实施例(例如，如图2和4A所示)的高度，以具有与燃料棒配合的上部和在功能上用作下端配件的下部。在该情形中，诸如凹窝或弹簧之类的合适的燃料棒保持结构也可包括在条带的上部中。此种组合的定位格架/下端配件变型的缺点在于，条带间隔应与燃料棒的间隔相当，然而也可通过由“双叠”条带来实现增强结构强度的附加条带，即，使得两恨(或多根)紧紧隔开的条带与传统定位格架的单根条带相对应。
本发明的示例性下端配件具有优于传统下端配件的多个制造优点。示例性下端配件在其最基本的形式上仅仅具有两种类型的部分，即内部条带22和外部条带32。不存在铸造或机加工构件(条带适当地冲压而成，然而也可设想机加工)，且在完成焊接之后无需对下端配件进行机加工(然而同样可设想机加工来形成选定的结构，例如可选地将条带部分切除以形成扩大开口来接纳诸如对齐销子44之类“过大”的构件)。此外，内部条带22的间隔(且由此是开口24的尺寸/定位)能可选地基于燃料棒的间隔而定，使得燃料棒与开口(流道24)齐平。这可允许植入附加的燃料棒，但仍可防止燃料棒掉出。本文参见图5描述的抗转动结构可设置在引导管下部插塞上以嵌套在一个或多个格架方格内。与铸造/机加工传统的下端板的复杂度相比，能使用与现有的定位格架焊接设备兼容的固定和焊接方法来构造下端配件(LEF)，并且可使用低成本的冲压部件。
此外，本文披露的示例下端配件具有优于传统机加工或铸造下端配件的各种性能优点，例如减小压降(与传统设计相比)并且改进进入燃料组件的流动分布。由于流道尺寸可基于条带尺寸和间隔来选定，以实现所期望的过滤“空隙尺寸”，因而LEF能提供可选的碎片过滤。在环境方面，所披露LEF可压碎来进行处置，由此降低废物容积并且潜在地可降低处理成本。
应理解的是，能可选地采用各种附加结构来实现所期望的LEF功能。例如，成形结构可包括在内部和外部条带上，以对进入反应堆堆芯中的流动分布进行成形，并且提供可选的碎片过滤。此外，与所示出的直条带相比，条带中的一些或所有条带可弯曲，以例如对分布到反应堆堆芯中的流进行进一步修形。还可包含各种冲压结构以改进性能和/或增强组件。如上所述，内部条带间距和/或厚度和/或宽度(例如，LEF的高度)中的变化可用于优化碎片过滤和/或压降特征。可提供套筒来用作用于堆芯悄和/或引导管的安装点(这可包括在组装和焊接格架S之后切出安装区域，然后将插入件和焊接套管焊接就位)。
虽然在下端配件的范围内进行了简要地描述，应理解的是，本发明的各方面也可应用于上端配件。也就是说，所披露的包括互锁条带的端部配件可用作下端配件(如本文所述)和/或上端配件。
己参照较佳实施例对示例实施例进行了描述。显然，其他人在阅读和理解前述详细说明书后会有各种修改和变型。意指示例实施例栓释为包括迄今为止的所有修改和变型，只要这些修改和变型在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (23)

1.一种设备，所述设备包括:
燃料组件，所述燃料组件包括:
多根燃料棒，所述燃料棒相互平行设置，其中，所述燃料棒包括裂变材料，
多个引导管，所述引导管相对于所述燃料棒平行设置，并散布在所述燃料棒之间，
上端配件，所述上端配件与所述引导管的上端连接，以及
下端配件，所述下端配件与所述引导管的下端连接，
其中，所述上端配件和所述下端配件中的至少一个包括由互锁金属条带形成的格架，所述互锁金属条带在所述金属条带之间的相交部处固定在一起。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，相交的金属条带在所述金属条带之间的相交部处焊接在一起。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述互锁金属条带的终端由外部条带界定。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述格架包括多个开口，引导管组件的螺栓部分可穿过所述多个开口。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述下端配件包括由互锁金属条带形成的所述格架，所述互锁金属条带在所述金属条带之间的相交部处固定在一起。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述引导管的下端包括与所述下端配件连接的引导管端部插塞。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述引导管端部插塞包括非圆形的突部，用以与所述下端配件中的非圆形格架开口匹配。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述互锁金属条带包括冲压金属条带。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述互锁金属条带包括不锈钢、因科镍合金或锆合金。
10.一种组件，包括:
多个定位格架;
多个引导管，所述多个引导管延伸穿过所述定位格架;以及
下端配件，所述下端配件附连于所述引导管的下端，所述下端配件包括由相交金属条带形成的格架，所述相交金属条带在所述金属条带之间的相交部处固定在一起。
11.如权利要求10所述的组件，其特征在于，相交的金属条带在所述金属条带之间的相交部处焊接在一起。
12.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述下端配件不是机加工或铸造构件。
13.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述相交金属条带的端部至少部分地由一个或多个外部条带界定。
14.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述金属条带不包括核燃料棒保持结构。
15.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述金属条带不包括构造成与核燃料棒配合的弹簧或凹窝。
16.如权利要求10所述的组件，其特征在于，还包括:
成束燃料棒，所述成束燃料棒包括裂变材料并且由所述定位格架保持在一起；以及
上端配件，所述上端配件附连于所述引导管的上端;
其中，包括所述定位格架、引导管、下端配件、上端配件以及所述成束燃料棒的组件形成了核燃料组件。
17.一种压水反应堆，所述压水反应堆包括:
核堆芯，所述核堆芯包括如权利要求16中所述的核燃料组件，
筒形压力容器，所述筒形压力容器具有垂直定向的筒体轴线，并包含浸没于主冷却水内的所述核堆芯，以及
中空筒形中央立管，所述中空筒形中央立管与所述筒形压力容器同心设置并设置于所述筒形压力容器内部，下降环腔形成在所述中空筒形中央立管和所述筒形压力容器之间。
18.一种方法，包括:
以相交结构来设置多个金属条带，来形成格架;
将所述金属条带在所述金属条带之间的相交部处固定在一起，以形成端部配件;以及
将引导管的端部附连于所述端部配件。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述固定包括在所述金属条带之间的相交部处将所述金属条带焊接在一起。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括:通过冲压工艺来形成所述金属条带。
21.一种设备，所述设备包括:用于核燃料组件的端部配件，所述端部配件包括相交金属条带的组件，所述相交金属条带在所述条带之间的相交部处固定在一起。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述相交的金属条带在所述条带之间的相交部处焊接在一起。
23.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述金属条带不包括用于与核燃料棒配合的保持结构。
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