CN103813879A - 沟槽式核燃料组件部件插入物 - Google Patents

Abstract

本发明公开诸如控制棒的核燃料组件部件，所述核燃料组件部件具有诸如中子吸收物质的圆筒形插入物，所述圆筒形插入物被紧密地接收于包壳内，所述包壳在任一端部处通过端部帽密封。圆筒形构件具有形成于其侧壁中的沟槽，所述沟槽从上表面延伸至下表面以在制造过程中当圆筒形构件被载入至包壳内时允许空气从包壳逃逸。

Description

沟槽式核燃料组件部件插入物

技术领域

本发明通常涉及核反应堆燃料组件，并且更具体地涉及沟槽式插入物，所述沟槽式插入物装配至核燃料组件的一个或多个部件的包壳内。

背景技术

通过被加压的水进行冷却的核反应堆发电系统的一级侧包括闭合环路，所述闭合环路与用于产生有用能量的二级环路隔离并进行热量交换。一级侧包括：包封堆芯内部结构的反应堆容器，所述堆芯内部结构支承多个燃料组件，所述多个燃料组件包含可裂变物质；在热量交换蒸汽产生器内的一级环路；增压器的内容积；以及用于循环已加压水的泵和管道；管道将蒸汽产生器和泵中的每一个独立地连接至反应堆容器。包括蒸汽产生器、泵、和连接至容器的管道系统在内的一级侧的每个部件形成了一级侧的回路。

为了说明，图1示出简化的核反应堆一级系统，包括大体圆筒形的压力容器10，所述压力容器10具有包封堆芯14的封头12。液体反应堆冷却剂（诸如水）由泵16泵送穿过堆芯14至容器10内，热量在所述堆芯14处被吸收并且排放至热量交换器18（通常称为蒸汽产生器），在所述热量交换器18中热量被传送至利用环路（未示出）（诸如蒸汽驱动涡轮发电机）。反应堆冷却剂随后被返回至泵16，从而完成一级回路。一般说来，多个上述回路通过反应堆冷却剂管道20连接至单个反应堆容器10。

在图2中更详细地示出示范性反应堆的设计。除了包括多个平行竖直共同延伸的燃料组件22的堆芯14之外，为了描述起见，其他容器内部结构能够被划分为下内部结构24和上内部结构26。在常规设计中，下内部结构的功能为支承、对齐和引导堆芯部件和仪器，以及导引容器内的流动。上内部结构约束燃料组件22（为了简化仅有其中两个示出于图2中）或向燃料组件22提供二级约束，以及支承和引导仪器和部件（诸如控制棒28）。在图2中示出的示范性反应堆中，冷却剂通过一个或多个入口喷嘴30进入反应堆容器，向下流动穿过反应堆容器和堆芯筒32之间的环形空间，在下腔室34中转向180°，向上穿过其上搁置有燃料组件的下支承板37和下堆芯板36，并且围绕燃料组件穿过燃料组件。在一些设计中，下支承板37和下堆芯板36被单个结构代替，即具有与37相同高度的下堆芯支承板。以大致20英尺每秒的速度流动穿过堆芯和周围区域38的冷却剂数量级通常大到400,000加仑每分钟。所产生的压降和摩擦力倾向于导致燃料组件升高，该移动受到包括环形上堆芯板40的上内部结构的约束。流出堆芯14的冷却剂沿上堆芯板40的下侧流动，并且向上流动穿过多个穿孔42。冷却剂随后向上径向地向外流动至一个或多个出口喷嘴44。

上内部结构26能够从容器或容器头部得到支承，并且包括上支承组件46。负载主要通过多个支承柱48在上支承组件46和上堆芯板40之间转移。支承柱分别在选定的燃料组件22和上堆芯板40的穿孔42上方对齐。

通常包括驱动轴50和中子毒物棒机架（spider）52的可直线移动控制棒28通过控制棒引导管54被引导穿过上内部结构26进入对齐的燃料组件22内。引导管被固定地结合至上支承组件46和上堆芯板40的顶部。支承柱48的布置方案帮助阻止引导管在偶然状况下的形变，所述形变能够有害地影响控制棒的插入能力。

图3为以竖直缩短形式表现的燃料组件（一般通过附图标记22指示）的正视图。燃料组件22为在压水反应堆中使用的类型，并且具有结构化构造，所述结构化构造在其下端部处包括底部喷嘴58。底部喷嘴58将燃料组件22支承于核反应堆堆芯区域中的下堆芯板36上。除了底部喷嘴58之外，燃料组件22的结构化构造还包括在其上端部处的顶部喷嘴62以及与上内部结构中的引导管54对齐的若干引导管或套管84。引导管或套管84在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间纵向地延伸，并且在相对的端部处刚性地附接至底部喷嘴58和顶部喷嘴62。

燃料组件22还包括沿引导套管84轴向地间隔开并且安装至引导套管84的多个横向网格64、以及由网格64横向地间隔开和支承的组织化伸长燃料棒组66。网格64传统上由采用方格形图案交错的垂直条带组形成，且四个条带的相邻界面限定接近正方形的支承单元，燃料棒66以彼此横向间隔开的关系被支承穿过所述支承单元。在许多设计中，弹簧和凹陷被冲压至条带的形成支承单元的相对壁内。弹簧和凹陷径向地延伸至支承单元内，并且捕获其间的燃料棒66，从而施加压力于燃料棒包壳上以将棒保持到位。垂直条带组在每一个条带端部处被焊接至边界条带，以完成网格结构64。还有，如图3中所示的燃料组件22具有定位于其中央的仪器管68，所述仪器管68在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间延伸并且被底部喷嘴58和顶部喷嘴62捕获。通过这样的部件布置，燃料组件22形成能够便捷掌控而不损坏部件组合的一体式单元。

如上所述，组件22中燃料棒组中的燃料棒66被沿燃料组件的长度间隔开的网格64保持为彼此间隔开的关系。每一个燃料棒66包括多个核燃料芯块70，并且在其相对的端部处被上端部塞72和下端部塞74闭合。芯块70被腔室弹簧76维持成堆，腔室弹簧76布置于上端部塞72和芯块堆顶部之间。包括可裂变物质的燃料芯块70负责产生反应堆的反应功率。包围芯块的包壳作为屏障，以防止核裂变副产品进入冷却剂并进一步污染反应堆系统。

为了控制核裂变过程，若干控制棒78能够在定位于燃料组件22中的预定位置处的引导套管84中往复地移动。特别地，定位于顶部喷嘴62上方的棒束控制机构80支承多个控制棒78。控制机构具有带多个径向延伸的锚爪或臂52的内螺旋圆筒形毂构件82，所述径向延伸的锚爪或臂52形成先前在图2中所述的机架。每一个臂52被相互连接至控制棒78，以使得控制棒机构80能够被操作成在引导套管84中竖直地移动控制棒，由此在联接至控制棒毂80的控制棒驱动轴50的驱动能量作用下控制燃料组件22中的核裂变过程，以上均采用已知的方式进行。

类似于燃料棒66，控制棒78由被上端部塞和下端部塞密封的管状包壳构成。诸如Ag-In-Cd（银铟镉）的中子吸收物质占据包壳内部的下部分，并且通常设置为杆或实心圆筒形插入物的形式。一般说来，在银棒的外径和包壳的内径之间仅容许0.00075英寸（0.00191厘米）的间隙。近年来，在制造控制棒当中，在将银载入包壳方面以及利用用于改善吸收剂和包壳之间热传递的气体来替换棒内侧的空气方面遇到困难，这对生产计划产生威胁并且提高制造成本。遇到的所述困难归咎于困在银条后方的空气，由于没有足够的间隙用于空气逃逸，所述困在银条后方的空气将银条推回至包壳之外。紧密的间隙还不利地影响以下能力：移除载入银后残留在棒中的空气以使得在操作过程中空气能被提供更好热传递的气体所替换的能力。收窄银棒外直径并非可行的选项，原因在于这将降低吸收剂棒性能，这将缩小用于商业核反应堆安全停机的安全边际，这是不可接受的。

因此，需要一种新的控制棒设计，其将减少制造时间并且改善棒腔室气体交换效率，而不大幅地降低吸收剂棒价值。

发明内容

通过如下的核燃料组件部件实现这些和其他目的，所述核燃料组件部件具有伸长的中空的管状包壳，所述管状包壳在包壳的底部处被下端部帽包封以及在包壳的上端部处被上端部帽包封。包括激活部件的至少一个基本上圆筒形构件被紧密地接收于管状包壳的中空内部的至少一部分内。圆筒形构件具有顶部表面和底部表面以及在顶部表面和底部表面之间延伸的基本上圆形侧壁。侧壁包括在顶部表面和底部表面之间延伸的至少一个沟槽。

在一个实施例中，沟槽以螺旋形式从顶部表面延伸至底部表面。在第二实施例中，沟槽在顶部表面和底部表面之间基本上为笔直的，并且基本上平行于伸长包壳的轴线延伸。优选地，沟槽包括分别从顶部表面延伸至底部表面并且围绕侧壁周向地等距离地间隔开的多个沟槽。理想地，在所述多个沟槽中的沟槽数量为奇数，优选地为三个、五个或七个。

在另一个实施例中，沟槽具有基本上半圆形剖面。替代地，沟槽可以具有U形剖面，优选地带有圆角部。理想地，沟槽的剖面面积通常在0.0002和0.0060平方英寸之间，并且优选地在0.0004和0.0020平方英寸之间。总而言之，沟槽在任意轴向剖面上的横向投影面积不应当超过圆筒形构件的剖面面积的0.15%。优选地，沟槽的剖面面积基本上不大于圆筒形构件的剖面面积的0.108%。

在一个实施例中，核燃料组件部件可以为控制棒，其中基本上圆筒形构件为诸如Ag-In-Cd的中子吸收活性成分。替代地，燃料组件部件可以为核燃料棒，其中活性成分为铀同位素，并且圆筒形构件为燃料芯块。

本文描述的实施例也预期有带这种部件的核燃料组件以及采用这种燃料组件的核反应堆系统。

附图说明

当结合附图阅读时，能够从以下优选实施例的描述中进一步理解本发明，其中：

图1为能够应用本文描述的实施例的核反应堆系统的简化图；

图2为能够应用本文描述的实施例的核反应堆容器和内部构件的部分剖视图；

图3为以竖直缩短形式说明的燃料组件的部分剖视图，且为了清晰去除某些部件；

图4为是控制棒包壳内的活性成分的现有银铟镉圆筒形条的平面图；

图5为在图4中说明的圆筒形构件的立体图；

图6为本文描述的用于圆筒形构件的一个实施例的平面图，所述圆筒形构件具有沿其侧壁在上表面和下表面之间的五个沟槽；

图7为在图6中示出的圆筒形构件的立体图；

图8为根据本文描述的另一个实施例的沿其侧壁结合七个沟槽的银铟镉条的平面图；

图9为在图8中示出的圆筒形构件的立体图；

图10为类似于图6和图8的平面图，示出三个周向地间隔开的沿侧壁延伸的沟槽；以及

图11为结合图9中说明的沟槽实施例的用于控制棒圆筒形插入物的核燃料芯块的立体图。

具体实施方式

当前，用于压水反应堆的控制棒通常由圆筒形管状包壳形成，所述管状包壳一般通过不锈钢构成，且上端部塞和下端部塞密封管状包壳的端部。中子吸收圆筒形构件（诸如呈圆筒形构件形式的银铟镉或纯银）定位于包壳的中空内部内，一般从下端部帽延伸至上端部帽下方的高度。在图4的平面图和图5的立体图中说明了包含当前形成的活性中子吸收成分的圆筒形构件。目前，燃料组件制造设备在将活性中子吸收圆筒形构件载入至棒束控制组件内时制造遇到困难，这对设备满足其生产计划和运输目标的能力产生威胁。制造困难增加了制造时间，这转化为成本。问题在于当中子吸收材料圆筒形条被载入至包壳内时困在所述中子吸收材料圆筒形条后方的空气柱，由于没有足够的间隙使得空气逃逸，所述空气柱将中子吸收材料圆筒条推回至管之外。银条和包壳内径之间的间隙在0.00075英寸（0.00191厘米）数量级中。减小银条的外径不予考虑，原因在于这将降低吸收剂棒价值，这将缩小商业核反应堆安全停机的安全边际，这是不可接受的。

为了克服这个困难，本文描述的实施例增加了奇数个轴向延伸的沟槽到中子吸收棒的侧壁上，所述中子吸收棒被载入至控制棒包壳的中空内部内。沟槽从中子吸收棒的上表面延伸至下表面以提供空气逃逸通道，从而克服制造困难，同时维持几乎100%的原始棒价值，因此最小化对核反应堆安全停机的安全边际的影响。优选地，采用三个、五个或七个沟槽，并且所述沟槽平行于棒的轴线延伸，或从上表面延伸至下表面遵循围绕棒的侧壁的圆周的螺旋路径。图4为先前技术的用于控制棒78的圆筒形棒插入物86的平面图，示出大体上圆形构造的顶部表面88。图5为在图4中示出的圆筒形构件的立体图，示出在上表面88和下表面90之间延伸的平滑侧壁92。能够容易地认识到的是：由于在侧壁92和控制包壳的内径之间存在着紧密间隙，当圆筒形构件86被载入包壳内时，没有空间使空气逃逸。图6和7示出下文将描述的一个实施例。图6示出顶部表面88的平面图，并且图7示出立体图，在所述图6和图7中轴向沟槽形成于从上表面88延伸至下表面90的侧壁92中。在这个实施例中，沟槽具有U形剖面，并且五个沟槽围绕圆筒形构件的圆周等距离地间隔开地形成于侧壁上。

图8和9分别对应于图6和7，并且示出采用围绕圆筒形构件86的圆周等距离地间隔开的七个沟槽的实施例。类似地，图10示出采用三个周向间隔开的沟槽的另一个实施例的平面图。然而，在图10中示出的沟槽具有圆形剖面。图11示出了具有本文所述概念的另一个实施例，其应用于在侧壁中采用两个间隔开的螺旋沟槽的燃料芯块。

虽然沟槽取代了一些中子吸收物质，但是从中子角度来看，沟槽式吸收剂的剖面中的效果损失为接近0.0077%（对五个沟槽来说）和0.0108%（对于七个沟槽来说），这从核反应堆停机安全边际角度来说相当小，但是却容许显著的制造改善。

因此，虽然本发明的特定的实施例已经被详细地描述，的那是将被本领域的技术人员认识到的是可以在本发明的全部指导下研发那些细节的各种修改和替换。因此，本发明的具体的实施例仅意为说明性的并且不限制本发明的范围，所述本发明的范围被赋予附属权利要求及其全部改进中的任一和全部的整个广度。

Claims (19)

1.一种核燃料组件（22）部件，包括：

伸长的中空的管状构件（66、78），所述管状构件具有沿伸长长度的轴向尺寸；

下端部帽（74），所述下端部帽在伸长长度的第一端部处包封管状构件（66、78）的底部；

上端部帽（72），所述上端部帽在伸长长度的第二端部处包封管状构件（66、78）的顶部；

至少一个基本上圆筒形构件（70、86），所述圆筒形构件紧密地接收于管状构件（66、78）的在下端部帽（74）和上端部帽（72）之间的中空内部，圆筒形构件具有顶部表面（88）和底部表面（90）以及在顶部表面和底部表面之间延伸的基本上圆形的侧壁（92）；以及

沟槽（94），所述沟槽位于在顶部表面（88）和底部表面（90）之间延伸的侧壁（92）中。

2.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中沟槽（94）以螺旋形式从顶部表面（88）延伸至底部表面（90）。

3.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中沟槽（94）在顶部表面（88）和底部表面（90）之间基本上为笔直的，并且基本上平行于轴线延伸。

4.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，包括分别从顶部表面（88）延伸至底部表面（90）并且围绕侧壁（92）周向间隔开的多个沟槽（94）。

5.根据权利要求4所述的核燃料组件（22）部件，其中多个沟槽中的沟槽（94）的数量为奇数。

6.根据权利要求5所述的核燃料组件（22）部件，其中数量为3、5或7。

7.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中沟槽（94）具有基本上半圆形剖面。

8.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中沟槽（94）具有基本上“U”形剖面。

9.根据权利要求8所述的核燃料组件（22）部件，其中“U”形剖面具有基本上圆的角部。

10.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中沟槽（94）的剖面面积基本上在0.0002和0.0060平方英寸之间。

11.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中沟槽（94）的剖面面积基本上在0.0004和0.0020平方英寸之间。

12.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中沟槽（94）在任意轴向剖面上的横向投影面积不应当超过圆筒形构件（70、86）的剖面面积的0.15%。

13.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中沟槽（94）的剖面面积基本上不大于圆筒形构件（70、86）的剖面的0.0108%。

14.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中核燃料组件部件（66、78）为控制棒（78）。

15.根据权利要求10所述的核燃料组件（22）部件，其中基本上圆筒形构件（70、86）由Ag-In-Cd形成。

16.根据权利要求1所述的核燃料组件（22）部件，其中燃料组件部件为燃料棒（66）。

17.根据权利要求16所述的核燃料组件（22）部件，其中基本上圆筒形构件（70、86）为燃料芯块（70）。

18.一种具有部件（66、78）的核燃料组件（22），所述部件包括：

伸长的中空的管状构件（66、78），所述管状构件具有沿伸长长度的轴向尺寸；

下端部帽（74），所述下端部帽在伸长长度的第一端部处包封管状构件（66、78）的底部；

上端部帽（72），所述上端部帽在伸长长度的第二端部处包封管状构件（66、78）的顶部；

至少一个基本上圆筒形构件（70、86），所述圆筒形构件紧密地接收于管状构件（66、78）的在下端部帽（74）和上端部帽（72）之间的中空内部，圆筒形构件具有顶部表面（88）和底部表面（90）以及在顶部表面和底部表面之间延伸的基本上圆形的侧壁（92）；以及

沟槽（94），所述沟槽位于在顶部表面（88）和底部表面（90）之间延伸的侧壁（92）中。

19.一种核反应堆系统，所述核反应堆系统具有带部件（66、78）的核燃料组件（22），所述部件包括：

伸长的中空的管状构件（66、78），所述管状构件具有沿伸长长度的轴向尺寸；

下端部帽（74），所述下端部帽在伸长长度的第一端部处包封管状构件（66、78）的底部；

上端部帽（72），所述上端部帽在伸长长度的第二端部处包封管状构件（66、78）的顶部；

至少一个基本上圆筒形构件（70、86），所述圆筒形构件紧密地接收于管状构件（66、78）的在下端部帽（74）和上端部帽（72）之间的中空内部，圆筒形构件具有顶部表面（88）和底部表面（90）以及在顶部表面和底部表面之间延伸的基本上圆形的侧壁（92）；以及

沟槽（94），所述沟槽位于在顶部表面（88）和底部表面（90）之间延伸的侧壁（92）中。

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