CN103563004A - 具有燃料棒之间的变化的间隔的核燃料组件 - Google Patents

Abstract

一种具有燃料棒之间的变化间隔的核燃料组件。该核燃料组件（2）的类型为包括成束的燃料棒（4）。根据本发明的一个方面，燃料棒（4）在燃料组件的最低部分中以第一栅格排布而在燃料组件的最高部分中以第二栅格排布，所述第一栅格具有燃料棒（4）之间的非统一间距，所述第二栅格具有燃料棒（4）之间的统一间距。适用于BWR核燃料组件。

Description

具有燃料棒之间的变化的间隔的核燃料组件

技术领域

本发明涉及一种用于沸水反应堆的核燃料组件。

背景技术

专利US5572560公开了一种包括成束的燃料棒的核燃料组件，该燃料棒之间的间隔沿该核燃料组件的长度从核燃料组件的底部部分处的统一间距变化至该核燃料组件顶部部分处的非统一间距，以允许在燃料棒之间容纳在核燃料组件的上部部分具有增加的横截面的水管道。

提供在上部部分具有增加的横截面的水管道旨在根据所有燃料棒位置平衡的水燃料比提高中子效率。

然而，临界功率性能未被考虑且可能被该布置干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核燃料组件以在中子效率和临界功率性能之间达到良好的平衡。

为此，本发明提出了一种核燃料组件，所述核燃料组件用于包括成束的燃料棒的沸水反应堆，所述核燃料组件包括一组燃料棒，该组燃料棒在所述燃料组件的最低部分中以第一栅格排布而在所述燃料组件的最高部分中以第二栅格排布，所述第一栅格具有燃料棒之间的非统一间距，而所述第二栅格具有燃料棒之间的统一间距。

根据其他的实施例，所述核燃料组件包括单个或根据任何技术上可能的组合的一个或多个下述特征：

-所述组的燃料棒之间的间隔沿所述燃料组件的长度单调变化；

-在所述最低部分中，所述组的燃料棒中的燃料棒布置在由冷却剂/减缓剂间隙分隔开的组中；

-每组的所述燃料棒呈规则栅格布置；

-每组的所述燃料棒具有所述组的所述燃料棒之间统一的间距；

-所述冷却剂/减缓剂间隙比每组的所述燃料棒之间的或燃料棒的排之间的通道要宽；

-所述核燃料组件包括至少一个从所述成束燃料棒的中心区域朝所述成束燃料棒的外围大体上径向延伸的冷却剂/减缓剂间隙；

-所述核燃料组件包括至少一个环形冷却剂/减缓剂间隙；

-所述核燃料组件包括至少两个彼此平行延伸的冷却剂/减缓剂间隙；

-所述的核燃料组件，包括至少一个替换了所述成束的燃料棒中的至少一个燃料棒的管状水管道；

-所述水管道被至少一个环形冷却剂/减缓剂间隙围绕；

-所述水管道沿所述燃料组件的长度具有恒定的横截面；

-所述核燃料组件包括至少一个从所述燃料组件的最低部分中的所述第一栅格和/或从所述燃料组件的最高部分中的所述第二栅格偏移的单独燃料棒；

-具有非统一间距的所述最低部分朝具有统一间距的所述最高部分之间的所述过渡区域被定位在如下高度处：所述高度包含在所述核燃料组件活动区的高度的30%和70%之间；并且

-所有的所述燃料棒是全长度燃料棒。

附图说明

在阅读下面的仅作为示例提供的描述后以及参考附图将更好地理解本发明及其优点，附图中：-图1是根据本发明的核燃料组件的侧面正视示意图；

-图2和3是分别沿图1中的II-II和III-III的核燃料组件的横截面视图。

-图4和5是类似图2示出的根据本发明的其他实施例的核燃料组件的视图；以及

-图6是根据本发明的核燃料组件的侧面示意图。

具体实施方式

如图1所示出的，核燃料组件2沿着纵向轴线L伸长。在使用中，核燃料组件放置在核反应堆的堆芯底部并且所述纵向轴线L大体上竖直地延伸。

在下文中，在纵向组件轴线L竖直延伸的情况下参照使用位置使用了方位词例如“顶部”、“底部”、“下部”、“上部”、“纵向”、“横向”和“竖直”。

核燃料组件2包括成束的纵向延伸的燃料棒4。燃料棒4通常具有统一的长度。

每个燃料棒4具有恒定的横截面。每个燃料棒4包括填充有堆叠的核燃料芯块的管状包壳（cladding），从而构成了燃料组件的活跃区，并且每个燃料棒在其端部由端塞封闭。燃料棒4以栅格布置。

燃料棒4展现了相同的横截面。在一可替代实施例中，燃料棒4展现了不同的横截面。

核燃料组件2包括沿燃料棒4的长度分布的定位格架6。定位格架6以间隔关系将燃料棒4保持在栅格布置中并且横向和纵向支撑燃料棒4。燃料棒4通常延伸穿过定位格架6的开口与从该开口的侧壁突出的弹簧和/或凸台接触以支撑燃料棒4。

核燃料组件2包括分别设置在核燃料组件2的底端和上端处的下部管嘴8和上部管嘴10。

核燃料组件2的类型为适于在沸水反应堆（BWR）中使用。

更加具体地，核燃料组件2包括纵向延伸的管状水管道12，该水管道替代了在燃料棒4的栅格中的至少一个燃料棒4。水管道12设置成以与所述成束的燃料棒4分隔开的方式引导冷却剂/减缓剂（例如水）。

水管道12具有沿其长度恒定的横截面。在一可替代实施例中，水管道具有沿水管道12变化的横截面。

水管道12通常将下部管嘴8和上部管嘴10连接。定位格架6通常固定至该水管道12。

核燃料组件2另外包括纵向延伸并且将成束的燃料棒4和水管道12包封的管状燃料管道14。燃料管道14设置成在该燃料棒束的范围内、燃料棒之间及周围传导冷却剂/减缓剂（例如水）。在图1-4所示出的示例中，燃料棒4布置成10×10阵列。水管道12替换了燃料棒4的3×3阵列。水管道12相对于燃料管道14偏离中心。在图5示出的实施例中，水管道在11×11阵列的中心替换了3×3阵列。

在使用中，燃料组件2竖直定位在核反应堆堆芯内部，并且冷却剂/减缓剂经下部管嘴8朝上部管嘴10（如在图1中以箭头F所示出的）被供应至水管道12和燃料管道14中。当在燃料棒4周围流动时，冷却剂/减缓剂逐渐部分蒸发。蒸汽的比例相对于液体从底部至顶部增加。在冷却剂/减缓剂中的空隙含量从底部至顶部逐渐增加。

在下文中，相邻燃料棒之间的间隔或间距是指相邻燃料棒的中心线之间的间隔或间距。

一个栅格、阵列或组具有统一间距的燃料棒是指一个栅格、阵列或组布置在栅格的节点处且每对相邻节点之间具有相同间隔的燃料棒。

一个栅格、阵列或组具有非统一间距的燃料棒是指一个栅格、阵列或组布置在栅格的节点处且栅格中的节点不均匀分布且每对相邻燃料棒之间具有不同间隔的燃料棒。

根据本发明的一个方面，燃料棒4在燃料组件2的最低部分（图2）中以具有燃料棒4之间的非统一间距的第一栅格排布而在燃料组件2的最高部分（图3）中以具有燃料棒4之间的统一间距的第二栅格排布。

由于沿燃料组件2的长度成束的燃料棒4的总体栅格布置改变，至少一些燃料棒4之间的间隔沿燃料组件2的长度变化。

优选地，该间隔沿燃料组件的长度单调变化。每对相邻燃料棒之间的间距或者是恒定的，或者沿燃料组件增加或减小。

图2是沿图1中的II-II核燃料组件2的最低部分的横截面图。在该最低部分，燃料棒4以具有非统一间距的第一栅格排布。在至少一些成对的燃料棒4之间，相邻燃料棒4的中心线之间的间隔不同。

如所示出的，燃料棒4以燃料棒4的组16聚集，每组16具有其燃料棒4之间的统一的间距。每组16的燃料棒4布置在规则正方形栅格布置中，在该栅格布置两个方向上具有燃料棒4之间统一的间距P1。

冷却剂/减缓剂间隙18在燃料棒4的组16之间限定。每对相邻组16被在所述两组16的相对的燃料棒4之间延伸的冷却剂/减缓剂间隙18分隔开。

界定冷却剂/减缓剂间隙18的两个不同组16的相邻燃料棒4具有与每组16的燃料棒4之间的间距P1不同的间隔P2。优选地，界定冷却剂/减缓剂间隙18的不同组16的燃料棒4之间的间隔P2高于每组16的燃料棒4之间的间距P1。

结果，每对相邻组16被冷却剂/减缓剂间隙18分隔开，该冷却剂/减缓剂间隙18具有大于每组16的燃料棒4列之间的通道的宽度。

图3是沿图1中的III-III核燃料组件2的最高部分的横截面图。在最高部分，燃料棒4布置在具有统一间距P的第二栅格中，该间距P在每对相邻的燃料棒4之间是相同的。

在示出的实施例中，最高部分的第二栅格是规则的正方形栅格。

本发明不限于10×10束的燃料棒。该束燃料棒可以包括以正方形阵列中不同数量的燃料棒（例如，8×8、9×9…13×13），或具有例如长方形或六边形阵列的任意其他阵列图案。

本发明不限于替换了3×3阵列燃料棒的单个水管道。水管道可以展现出替换其他数量燃料棒（2×2、3×3、4×4…）的正方形横截面或不同横截面例如长方形或圆形的横截面。核燃料组件可以包括多个水管道或可替代的水结构，例如两个或多个分隔开的水管道或水棒。

在图2示出的实施例中，10×10束的燃料棒被分成每组为5×5阵列的四个组16，每个节点处有一个燃料棒，四个组16被四个冷却剂/减缓剂间隙18分隔开。每个冷却剂/减缓剂间隙18从水管道朝燃料管道14表面的中心大体上径向地延伸。

冷却剂/减缓剂间隙可以由多种其它图案限定。

在图4示出的变形中，环形的冷却剂/减缓剂间隙20形成在核燃料组件2的底部部分的燃料棒4的环形外围组22和燃料棒4的中心组24之间。

在该示例中，外围组22包括两列燃料棒4且中心组24由栅格中的中心6×6阵列限定。水管道12替换了中心组24的3×3阵列。水管道12的两个相邻侧边通过两列燃料棒4与外围组22分隔开并且水管道12的两个剩余相邻侧边通过单列的燃料棒4与外围组22分隔开。

外围组22的燃料棒4布置在具有燃料棒4之间统一间距P3的规则正方形栅格布置中。中心组24的燃料棒4布置在具有燃料棒4之间统一间距P4的规则正方形栅格布置中。在组22、24的栅格的横向方向上，组22、24的相邻燃料棒4之间具有间隔P5。

在图5示出的变形中，该束燃料棒4包括在核燃料组件2的最低部分彼此平行延伸的冷却剂/减缓剂间隙30。

更具体地，在图5的示例中，核燃料组件包括以11×11阵列布置的成束的燃料棒且水管道12替换了中心的3×3阵列。该束在该束的顶角以5×5阵列细分为燃料棒4的四个顶角组26。每对顶角组26由以4×1阵列的燃料棒4的中间组28分隔开。两个平行的冷却剂/减缓剂间隙30被提供在每个中间组28的每个侧边、该中间组28和每个相邻顶角组26之间。

每个顶角组26的燃料棒4被布置在具有统一间距P6的规则正方形栅格布置中。每个中间组28的燃料棒4和相邻顶角组26的相邻燃料棒4之间的间隔P7是相同的。

每对相邻平行的冷却剂/减缓剂间隙30由单列燃料棒4分隔开。在可替代方式中，两平行的冷却剂/减缓剂间隙30可以由包括两列或多列燃料棒的中间组燃料棒分隔开。

在图2、4和5示出的实施例中，不同组16的间距是相等的并且相邻组16之间的间隔是相等的。在可替代方式或可选方式中，组可以具有不同间距和/或组之间的间隔可以不同。

此外，在图2、4和5示出的实施例中，具有以规则正方形栅格布置燃料棒的每个组16、22、24、26、28具有统一的间距。在可替代方式或可选方式中，至少一个组16、22、24、26、28的燃料棒可以布置在具有非统一间距的不同规则栅格布置中，例如在栅格的两个横向方向上具有两个不同间距的长方形栅格布置中。

燃料棒之间的间隔变化可以沿燃料组件的长度逐步或者突然地不断进行。在任一情况中，间距变化从非统一间距的燃料组件最低部分朝统一间距的燃料组件最高部分单调进行。

间距变化或者间距变化的梯度可以在两个相邻定位格架6之间的范围进行。

在图6示出的实施例中，间距变化在两个相邻定位格架6之间的范围中以单一梯度进行。

该间距变化下方的定位格架限定了用于在栅格中具有非统一间距燃料棒的开口并且该间距变化上方的定位格架限定了用于在栅格中具有统一间距燃料棒的开口。

根据本发明的核燃料组件能够在中子效率即将燃料组件横截面上方的总裂变率最大化并由此使反应性最大化，和临界功率性能即可能导致燃料棒损坏的燃料棒周围冷却剂的中断之前可能的最大燃料组件功率之间达到好的平衡。

通常的，具有一定U-235富集并且与较大的冷却剂/减缓剂区域相邻的燃料棒如外排燃料棒或者紧挨着水管道的燃料棒具有比被其他燃料棒包围的燃料棒更大的功率。

此外，在BWR核燃料组件中，当冷却剂向上流经核燃料组件时被逐渐部分的转化为蒸汽，由此冷却剂流中的无效含量向上逐渐增加并且燃料棒冷却效率更低。

燃料棒之间的非统一间距布置允许提供冷却剂的非均匀分布。也就是说，非统一间距允许提供更宽的冷却剂/减缓剂间隙，这导致了更多的冷却剂被导入燃料棒周围的冷却剂/减缓剂间隙中，燃料棒与该冷却剂/减缓剂间隙相邻，以及更少的冷却剂被导入与冷却剂/减缓剂间隙不相邻的燃料棒周围。热中子的数量与燃料棒周围的冷却剂/减缓剂的量成比例增加，因而导致了增加的裂变率从而提高的燃料利用。

特别地，冷却剂/减缓剂间隙定位在最靠近中间列燃料棒处，在该处局部燃料棒功率通常在该束中最高并且冷却剂/减缓剂间隙最有效。

在最高部分中的统一燃料棒间距增加了核燃料组件的临界功率性能。

事实上，冷却剂的无效含量在最高部分增加并且冷却效率总体变低。统一燃料棒间距有利于在最高部分的统一冷却剂分布。人们认为，对于临界功率性能在冷却剂高度无效的燃料组的最高部分上均匀的冷却剂分布是优选的。相反，在最高部分产生冷却剂/减缓剂间隙将导致与冷却剂/减缓剂间隙相邻的燃料棒周围更少的冷却剂，由此临界功率将被减小，降低了燃料组件的总燃料效率。

此外，不均匀冷却剂分布的中子效率优势随在冷却剂中增加的无效含量而变小。由非统一间距提供的积极的中子效果在最底部分上被保持，其中临界功率性能的不利效果很小。

因此，核燃料组件最低部分非均匀的燃料棒间距和最高部分均匀的燃料棒间距是中子效率和临界功率性能之间的好的平衡，更加特别地是当在具有非统一间距最低部分朝向具有统一间距的最高部分之间的过渡区域被定位在包含核燃料组件活动区高度的30%和70%之间的高度上时。

实际上，从具有非统一间距栅格中的燃料棒的最低部分朝具有核燃料组件的统一间距栅格的最高部分的过渡区域应当被定位在燃料活动区，在该活动区通过干燥性能获得的净燃料消耗和中子效率被最大化。这样的间距变化可以位于所述轴向活动区的中心附近但是从具有非统一间距栅格的最低部分朝核燃料组件的具有统一间距栅格的最高部分的过渡区域将进一步取决于下部和上部管嘴之间的选择的轴向定位格架的位置。

本发明对BWR类型的核燃料组件特别地有利。

在图1-6示出的实施例中，燃料棒是具有大体上相同长度的全长度燃料棒。

在可替代实施例中，成束的燃料棒包括具有比全长度燃料棒更短的部分长度燃料棒。可能存在不同种类即不同长度的部分长度燃料棒。该燃料棒（同时包括部分长度燃料棒和全长度燃料棒）在核燃料组件最低部分中以具有非统一间距的第一栅格排布，燃料组件最高部分中的具有统一间距的栅格可以仅包括剩余的全长度棒或者另外可以包括所有或部分的部分长度棒。

在图1-6的实施例中，所有的燃料棒在最低部分中以具有非统一间距的第一栅格排布并且在最高部分中以具有统一间距的第二栅格排布。

在一可替代实施例中，成束的燃料棒包括至少一个相对于最低栅格的间距偏移和/或从核燃料组件最高部分的第二栅格的统一间距偏移的单独的燃料棒。该燃料棒例如是位于该束的顶角朝该束的中心偏移从而在所述燃料棒和燃料管道之间保持一定间隙的燃料棒。

然而，除了生成局部非统一性的偏移燃料棒之外，剩余组的燃料棒中的燃料棒在最低部分以具有非统一间距的第一栅格排布并且在最高部分以具有统一间距的第二栅格排布。

因此，在一般的方式中，核燃料组件包括成束的燃料棒，该束燃料棒包括至少一组在最低部分以具有非统一间距的第一二维栅格排布并且在核燃料组件的最高部分以具有统一间距的第二二维栅格排布的燃料棒。

上述可替代方式可以被组合从而提供包括全长度和部分长度燃料棒以及局部偏移的单独燃料棒的成束的燃料棒。

Claims (15)

1.-一种核燃料组件（2），所述核燃料组件（2）用于包括成束的燃料棒（4）的沸水反应堆中，所述核燃料组件（2）包括一组燃料棒，该组燃料棒在所述燃料组件的最低部分中以第一栅格排布而在所述燃料组件的最高部分中以第二栅格排布，所述第一栅格具有燃料棒（4）之间的非统一间距，而所述第二栅格具有燃料棒（4）之间的统一间距。

2.-根据权利要求1所述的核燃料组件（2），其中该组燃料棒中的燃料棒（4）之间的间隔沿所述燃料组件（2）的长度单调变化。

3.-根据权利要求1或2所述的核燃料组件（2），其中，在所述最低部分中，所述组的燃料棒中的燃料棒（4）布置在由冷却剂/减缓剂间隙（18、20、30）分隔开的组（16、22、24、26、28）中。

4.-根据权利要求3所述的核燃料组件（2），其中每组（16、22、24、26、28）的所述燃料棒（4）呈规则栅格布置。

5.-根据权利要求4所述的核燃料组件（2），其中每组（16、22、24、26、28）的所述燃料棒（4）具有所述组（16、22、24、26、28）的所述燃料棒（4）之间统一的间距。

6.-根据权利要求3-5中的任一项所述的核燃料组件（2），其中所述冷却剂/减缓剂间隙（18、20、30）比每组（16、22、24、26、28）的所述燃料棒（4）之间的或的燃料棒（4）的排之间的通道要宽。

7.-根据权利要求3-6中的任一项所述的核燃料组件（2），包括至少一个从所述成束燃料棒（4）的中心区域朝所述成束燃料棒（4）的外围大体上径向延伸的冷却剂/减缓剂间隙（18、30）。

8.-根据权利要求3-7中的任一项所述的核燃料组件（2），包括至少一个环形冷却剂/减缓剂间隙（20）。

9.-根据权利要求3-8中的任一项所述的核燃料组件（2），包括至少两个彼此平行延伸的冷却剂/减缓剂间隙（30）。

10.-根据前述权利要求中任一项所述的核燃料组件（2），包括至少一个替换了所述成束的燃料棒（4）中的至少一个燃料棒（4）的管状水管道（12）。

11.-结合权利要求8和10中的核燃料组件（2），其中所述水管道（12）被至少一个环形冷却剂/减缓剂间隙（20）围绕。

12.-根据权利要求10-11中的任一项所述的核燃料组件（2），其中所述水管道（12）沿所述燃料组件（2）的长度具有恒定的横截面。

13.-根据前述权利要求中任一项所述的核燃料组件（2），包括至少一个从所述燃料组件（2）的最低部分中的所述第一栅格和/或从所述燃料组件（2）的最高部分中的所述第二栅格偏移的单独燃料棒。

14.-根据前述权利要求中任一项所述的核燃料组件（2），其中具有非统一间距的所述最低部分朝具有统一间距的所述最高部分之间的所述过渡区域被定位在如下高度处：所述高度包含在所述核燃料组件活动区的高度的30%和70%之间。

15.-根据前述权利要求中任一项所述的核燃料组件（2），其中所有的所述燃料棒（4）是全长度燃料棒。

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