CN1051452A - 最佳燃料利用率燃料组件和棒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到为优化核燃料利用率的核燃料组 件和方法。该核燃料组件由端对端叠层并可拆卸地 互联的一组轴向燃料模件(34)最初套组构成，从而在 结构上集成为一个轴向积木式燃料组件(32)。在后 者于反应堆堆芯中用完后，它的轴向燃料模件(34)被 相互分离地拆卸并分解，不完全燃烧的上和下端模件 (34A、34B)能被回收，为随后与替代最初套组中耗尽 件的新燃料模件一起重新构成的轴向积木式燃料组 件而供使用。

Description

本发明一般涉及到核燃料组件，更确切地说，涉及到容许较佳燃料利用率的积木式（modular）燃料组件和燃料棒的设计。

典型的常规核燃料组件基本上由一结构构架和一组支撑在其中的燃料棒组成，构架包括一般称为顶和底口（top  and  bottom  nozzles）的上下端结构，通常为位于顶和底口之间並与它们相联的，以控制棒导向套管形式並沿其纵轴方向延伸的若干长形结构件，和与结构件相联並沿其轴向间隔地分布的横向栅格。燃料棒由相互间保持以预定平行间隔关系的横向栅格作横向支持。

典型地，每个燃料棒由含有一叠用象二氧化铀这样的裂变材料制成的燃料块，和借助于端塞将其相对端部进行密封的包壳管组成，由做为其完整部分的各个栅格上形成的凹座和弹簧组件把燃料棒支撑在每个栅格的位置上。横向栅格被附置在诸导向管上，其方法是一般借助于诸导向管上形成的凸起连接点，並使栅格在沿导向管间隔分布的相应的栅格位置上保持系留，从而与导向管一起形成一完整的能够插入燃料棒的构架结构。附加在导向管上端部的顶口做为燃料组件的上结构件，而附加在导向管下端部的底口做为用以支撑燃料组件並传递反应堆冷却剂入内的燃料组件下结构件。导向管除了用做为结构件的功能外，也用以在其运动期间起导向控制棒的作用。

在利用这样的常规燃料组件的核反应堆中，延长堆芯寿命的要求没有完全实现，因为在堆芯外区芯体于寿命期间出现不完全的燃料消耗。出现在申请人的美国专利No.4，493，814和No. 4，631，166中的趋向较好利用率的方案是使用天燃铀或在堆芯的顶和底部的点

再生区（seed blankets）。另一个接近的方案被揭示在申请人的美国专利No.4，716，015中，它提供包括底口模件（module），顶口模件，一些轴向间隔分布的栅格模件，和至少象控制棒导向管这样的一个长形结构件所组成的径向积木式燃料分组件，並由几个上述的分组件构成一个径向积木式燃料组件，长形结构件与顶口和底口相互联接並支撑栅格模件使之形成一轴向集成框架结构。各种分组件的底口模件和顶口模件包括有能使径向分组件可区分地结合在一起的互锁构造，从而形成该径向积木式燃料组件。

虽然这些现有的技术方案有助于改进燃料利用率，但仍未达到最优燃料利用率。本发明的目的是促进这一技术趋于完善。概括地说，发明原则是提供由轴向燃料模件或分组件叠层並可拆卸相互联接而构成轴向积木式燃料组件，这种构成可拆卸地相互联接方式能使它们用后在反应堆现场拆开並重新组合成再次构成的积木式燃料组件，该方法是利用从所用燃料组件的上下端区获得的不完全燃烧燃料模件，並以新燃料模件替换其中较多的完全燃烧的中间燃料模件。因此，实施本发明的轴向积木式燃料组件在反应堆堆芯中完成一个燃烧周期后，在其上下端模件中的不完全燃烧燃料能具有大于比在其中间部的燃料模件中的燃料多10%到12%的反应率，它能回收再用，从而允许获得最佳的燃料利用率。

更具体地说，从其一方面讲，发明属于用于核反应堆芯的核燃料组件，特别是具有上端区和下端区，每个端区在反应堆运行期间，轴向燃料燃尽的平均率低于其中间的中部堆芯区，特征在于所述的燃料 组件由一组轴向燃料模件组成，该模件包括可拆卸地相互联接装置，以相互间轴向地端对端地排列並叠层的方式相互配合和可拆卸地相互锁定，轴向燃料模件包括上和下端模件，它具有与核堆芯的所述上和下端区分别完全对应的轴向尺寸。

轴向燃料模件由具有端塞的燃料棒段组成，它包括为可拆卸地端对端地与相邻件轴向排列成行的一个相互配合各个燃料棒段的相互配合件。为可拆卸地相互配合任二个相邻燃料棒段的相互配合件可以由形成在相应的二个相邻燃料段之一的端塞上的轴向凹槽，和形成在所述二个相邻燃料棒段的另一个相接端塞上的一个互补形状的轴向凸起构成，或者它们可以由一个形成在二相邻燃料棒段之一的相应端塞上的内轴向螺纹孔，和一个位于所述两相邻燃料棒段另一联接端塞上的外轴向螺栓构成。

更可取的是，每个轴向燃料模件由含有由一组在以相互间实质上以平行间隔分布关系配置的长形结构件组成的分组件，和至少一个联接所述的长形结构件以致于一起形成一框架结构的横向燃料棒支撑栅格，和所述的包括长形结构件端部的可拆卸的互联件所组成，为了可拆卸地互相锁定相邻结构件的端部，互联件相互配合並配置在能匹配地相互锁定的装置上。上下端模件分别与轴向积木式燃料组件的顶和底口可拆卸地联接。长形的结构件是管状的导向管段，轴向叠层燃料模件的互联后的导向管段则沿全长通过经叠层的燃料模件构成为长型分段式导向管。更可取的是，每个导向管段上的互锁装置由界定在导向管段一端部外周边上的径向凸起和一界定在导向管段一相对端部内周边上的环状凹槽所构成，所述每个导向管段的一端部最好形成至少一个长度方向上的狭缝，並且所述的相对端部最好被扩大至恰好够使 它便利地插入到相邻的导向管的所述端部。与每个长形的分段导向管结合的可拆卸地互联装置包括一长形管状锁定件，这是为了绝对防止相匹配的互锁件的偶然脱落而被可拆除地插入分段式导向管内的。

从另一方面讲发明属于优化核燃料利用率的方法，其特征在于步骤（a）以相互叠置的关系相互组合轴向燃料模件的最初套件使得对应的结构件和对应的燃料棒段端对端地被排列成行;（b）可拆卸地互相配接成行了的经叠层的轴向燃料模件，用以形成一整个伸长的分段式燃料棒组;和（c）可拆卸地互联该经叠层的轴向燃料模件从而集成它们做为轴向积木式燃料组件。方法进一步包括在该反应堆堆芯中利用所述轴向积木式燃料组件之后所执行的附加步骤：（d）拆离轴向燃料模件使之相互分开;（e）拆开叠层的燃料模件;（f）用新轴向燃料模件来取代原有的一些模件;（g）以所述的层迭关系把所剩的最初燃料模件与新轴向燃料模件重新组合;和（h）相互之间可拆卸地重新联接新的和剩下的燃料模件。更可取的是，所剩的燃料模件是最初使用的轴向积木式燃料组件中的上和下端模件。

借助于仅参考相应附图的实例，将描述本发明的最佳实施例：

图1是一个常规核燃料组件的侧向主体视图，为清晰起见，对零件作了部分剖视;

图2是实施本发明的轴向积木式燃料组件的分解示意图;

图3是图2的积木式燃料组件，但在其上不带有燃料棒段的上模件或分组件时的侧向立体视图;

图4是图2的积木式燃料组件在其上带有燃料棒段的中部模件或分组件时的侧向立体视图;

图5是图2的积木式燃料组件但在其上不带有燃料棒段的上模件 或分组件时的侧面立体视图;

图6是适合于同图3-5中的分组件联用的燃料棒段实施例的放大的纵向截面图;

图7是用于图3-5分组件的导向管段之一的放大截面图;

图8是以透视法缩小的形式绘制的图2的积木式燃料组件的放大的破碎剖视图，其中表示在分段的导向管段之间形成的可拆卸连接头，和一个伸展全长的所插入的锁定管;

图9是在两导向管段之间的可拆卸连接点之一的局部放大视图;

图10是适合与发明的轴向积木式燃料组件一起使用的积木式或分段燃料棒的另一实施例的分解示意图;

图11是图10所示的燃料棒段之一的放大的纵向截面图;

图12是由按照本发明的轴向积木式燃料组件构成的核反应堆堆芯的示意图。

在以下的描述中，同一部件的标记号表示贯穿在几个视图中相同的或相当的部件，並且一些术语，比如象“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”、“向下”和类似术语被作为常规的词汇来使用，並不能被解释成是有限定意义的术语。

首先详细参见附图中的图1，在此描述的並以标记号10标示的常规燃料组件是一种通常用于压水反应堆（PWP）的一种类型。基本上，它包括一个下端结构件或底口12，用以在PWP堆芯（未示出）的下部堆芯板上（未示出）支撑燃料组件，並且引导反应堆冷却剂通入燃料组件，从底口12向上伸延的控制棒导向管14，沿导向管14的轴向间隔分布的横向支撑栅格16，由栅格16支撑和横向间隔开的长形的燃料棒18有组织的阵列，一个位于中心的检测管 20和可拆卸地附加在导向管14上端部上的上端结构件或顶口。

每个燃料棒18有借助于端塞26、28牢牢密封的相对端，並且它包括一堆相叠的燃料块24和一压紧弹簧30，后者分布在顶端塞26和燃料块24之间用以保持燃料块紧密地相叠的目的。正如在该技术中众所周知的，裂变材料制成的燃料块24是在运行期间反应堆里产生核反应能量的来源，液体慢化剂/冷却剂，象水或含有硼的水在反应堆运行期间为了从中取出热能来产生可用功被注入燃料组件。

现在参见图2到5，在此描述了一实施本发明的轴向积木式燃料组件並以标记号32标示（其中的各部件对应也可在常规燃料组件10中看到它们具有如同在图1出现的相同的基本特征）。基本上，轴向积木式燃料组件32由一套轴向相叠並相互联接的轴向模件或分组件34构成，如图2所示，分组件34包含有一顶口22的上模件或分组件34A，一个含有底口12的下模件34B，和一组尤其至少3个位于其中间的中间模件或分组件。

每一个模件或分组件34由若干长形结构件36，若干燃料棒段38，和至少一个，最好二个横截方向适当设计的支撑栅格16组成，支撑栅格16被附置在长形结构件36上並象以所使用的，例如同图1中所示常规燃料组件10的支撑栅格16的适当方式，支撑燃料棒段38。上下分组件34A、34B分别以一适当的方式可拆卸地连接到顶和低口22、12，而每个中间分组件34C的结构件36与上或下分组件34A、34B的对应结构件36分别可拆卸地联接，和/或与每个相邻中间分组件36C的相应的结构件36分别可拆卸地联接。

在图3-5和7-9中，各种不同分组件的长形结构件36被示为导向管段，当它们在作可拆卸地相互连接时，在轴向积木式燃料组件32底和顶口之间的全长度上伸展並被连接，而形成延伸于全长度的分段式导向管44（图8），从而在组合到一起时，形成部分地描绘于图8的积木式燃料组件结构构造45。如从后者所见，最上面的分组件34A的每个导向管段36用止推座槽（socket-and-groove）式连接件40的常规方法与顶口22联接，最下面的分组件34B的每个导向管段36用类似栓螺丝型（plug-and-screw）联接件42的常规方法与底口12相联。经联接而形成的轴向积木式燃料组件32的若干模件或分组件34的支撑栅格16是沿着分段式的导向管44以轴向间隔作分布的，而由许多组件34的支撑栅格16支撑的轴向排列成行的燃料棒段38则端对端地相互配合，从而形成全长度伸延的支撑在完整的燃料组件32的底口和顶口12、22之间的分段式的积木式燃料棒。

在一个这样的积木式分段燃料棒的实施例中，每个燃料棒段38如图6所示的含有：具有借助于端塞50、52密封相对两端的包壳管段48，包含在包壳管段48中的一叠燃料块54，在管段48内位于该叠燃料块54和上端塞50之间的压紧簧56，以及分别位于端塞50和52内的和为了与相应的相邻模件34的燃料棒段38可拆卸地端对端地作配合用的，以第一和第二相互配合部件58、60形式的装置。第一和第二相互配合件58、60如图6所示，仅由所示例的方法上看，分别由一从其上面或外面轴向伸到上端塞50的截头维凹座，和一从下端塞52轴向伸出的互补形截头锥形凸体60组成。

在图10-11所示的积木式燃料棒的另一个实施例中，每个燃料棒段38A也包括一借助于端塞50A和52A密封相对两端部的包壳管段48A，包含在密封包壳管段内的一叠燃料块54A，设置在包壳管内位于该叠燃料块54A和上端塞50A之间的压紧簧56A，和能使燃料棒段38A与相邻者端对端地可拆卸地相互配合的相互配合件58A、60A。然而，在该实施例中，相互配合件具有互补的阴阳螺纹，能使燃料棒段38A端对端地分别拧在一起。如图10-11所示的每个燃料棒段38A的相互配合件的情况是在下端塞52A上是轴向外螺纹的螺栓60A，和在上端塞50A中则是一个内攻螺纹或轴向内膛孔58A。更可取的是，从图10所见，和上面分组件34A接合的每个燃料棒段38A的上端塞50A没有螺纹孔，而与下面的分组件34B相接合的每个燃料棒段38A的下端塞52A没有外攻螺纹的螺栓，而替代的只是圆锥形体。

现参见图3-5和7-9，轴向积木式燃料组件进一步包括用来可拆卸地相互联接的长形结构件或各分组件34A的导向管段36的装置，使得每列轴向成行的结构件或导向管段36伸展成全长度的分段式的结构支持件或形成具有其相对端连接到燃料组件32的顶和底口22、12的伸展于全长度的导向管44。

与每个分段式导向管44接合的相互联接装置包含每个导向管段36的相对端部62、64和伸长的管状锁定件66，端部62、64包括在其上形成的互锁构造68、70，而伸长的管状锁定件66被用来插入分段式导向管44，以便于在相互联接的导向管段36的端部62、64上，使互锁构造68、70恰当地维持于相互锁定性啮合的状态。在图7-9中，每个导向管段36上的互锁构造 表示成圆环形凸起68、70，在它们的内侧每个均相应地确定一环状凹槽72或74，设置在管段36的第一端部62的凸起68，为了呈现出它有弹性地压缩和膨胀具有在其上形成的至少一个和最好几个，长度方向的狭槽76，另一个设置在管段36的相对的第二端部64的凸起70最好径向张大从而刚好完全容易地在此插入相邻导向管段36的凸起端部，在此凸起68与位于首先描述的导向管段36的第二端部64上的凸起70内侧所界定的环状凹槽相啮合。所有的层迭轴向模件或分组件34的导向管段36按此配合並结合在一起，从而形成许多分段导向管44，为了在可拆卸地互锁点62、64、68、70上锁定啮合的互锁构造68、74，反之随时拆开，伸长的管状锁定件66每个被插入分段式导向管中。看得出位于轴向积木式燃料组件32中间的分段导向管44可被利用来容纳一象图1所示的管20这样的仪表管。

采用如图6所示的燃料棒段38的轴向积木式燃料组件32可通过下列步骤来装配：（a）相互叠置所需燃料模件或分组件34A-C组，以致于对应的许多分组件的导向管段36和燃料棒段38端对端地轴向排列成一行;（b）通过使下端塞上的凸出部套入相邻上端塞50的凹座58的方法，使被叠层的分组件的燃料棒段38按轴向排列成行而相互配合;（c）可拆卸地联接轴向成行的导向管段36，方法是通过使它们端部62、64上的互锁构造68、74配接，然后把一个长管状锁定件插入每个所形成的分段式导向管44中作可拆卸地互联。

在反应堆堆芯中的运行周期完成以后，燃料组件能够被卸下，接着，能以新的分组件来替换最初套组中已耗尽的组件而予以重新组 合。这通过从堆芯中卸去燃料组件32来进行，拆散的准备工作是从分段式导向管44中抽出管状锁定件66，然后，拆开相互联接的导向管段36，以便使它们相互分离，于是分组件或模件便能被同时解开叠层。在新的分组件或模件替代耗尽组件之后，通过逆行如上所述的拆卸程序，新模件与最初套件中回收的任何上或下端模件一起被重新组合並重新被装在反应堆堆芯中。

图12是实施本发明的由轴向积木式燃料组件32构成的核反应堆堆芯78的示意图。如在此所描绘的，反应堆堆芯78有上端区78A和下端区78B，两者的轴向燃料平均燃耗率低于位于二者之间的较大中部芯体区域78C。在堆芯78的轴向积木式燃料组件32中，与包含在其中的燃料棒段一起，上下分组件或模件34A，34B具有分别以上下端区78A和78B完全相同的轴向尺寸，以致于其中的核燃料和出现在中部堆芯区78C的燃料相比以较低的速率燃烧。本发明允许这种慢而且不完全地在堆芯的端区78A-B燃烧的燃料，其目的是为了在堆芯中燃烧周期完成以后，从每个轴向积木式燃料组件32中分离出上下分组件34A、34B来回收，並允许回收的上下分组件接着再次使用于重新构成或组合的轴向积木式燃料组件32中。从回收和再次使用在燃烧周期结束时尚含有较高反应率的燃料即上下端的模件或分组件34A、34B而产生较好的燃料利用率是显而易见的。

Claims (14)

1、一种用于核反应堆堆芯的核燃料组件，尤其具有在反应堆运行期间轴向燃料燃耗平均率比位于中间的中间堆芯区低的上端区(78A)和下端区(78B)，其特征在于所述的燃料组件(32)包括一组轴向燃料模件(34)，它具有为以相互间轴向排列成行端对端地叠层的关系而相互配合並可拆卸地互锁燃料模件(34)的可拆卸互联件，所述的轴向燃料模件(34)包括上和下端模件(34A、34B)，它们具有与核堆芯的所述上下端区(78A、78B)的部件完全对应的轴向尺寸。

2、按照权利要求1的一种核燃料组件，其特征在于所述的燃料模件包括燃料棒段（38），为使燃料棒段端对端地轴向排列成行，可拆卸地相互配合该燃料棒段38具有包含相互配合件（58、60）的两端塞（50、52）。

3、按照权利要求2的一种核燃料组件，其特征在于为可拆卸地相互配合所述燃料棒段（38）的任两个相邻棒段所相互配合件，由一形成在两相邻燃料棒段之一的一个端塞（50）上的轴向凹槽（58），和一个形成在所述两相邻燃料棒段的另一个的相接端塞（52）上的互补形状的轴向凸起（60）所组成。

4、按照权利要求2的一种核燃料组件，其特征在于为可拆卸地相互配合任两个相邻的所述燃料棒段（38A）的相互配合件，由一形成在两相邻燃料棒段之一的一个端塞（50A）上的内攻螺纹轴向孔（58A），和位于所述两相邻燃料棒段的另一个的相接端塞（52A）上的轴向外螺纹螺栓所组成。

5、按照权利要求1、2、3或4的一种核燃料组件，其特征在于每个所述的轴向燃料组件（34）包括一个由一组以相互间实质上平行的间隔分布关系而设置的长形结构件（36）组成的分组件，和至少一个与所述长形结构件（36）相联以致于一起形成构架结构的横向燃料棒支撑栅格（16），所述的可拆卸互联件（58、60、62、64、66）包括长形结构件（36）的两端部（62、64），为能可拆卸地互锁相邻结构件（36）的配接端部，端部相互配接並设置有可匹配的互锁构造（68、74）。

6、按照权利要求5的一种核燃料组件，包括上端结构（22）和下端结构（12），其特征在于所述上端模件（34A）和所述下端模件（34B）与所述上端结构（22）和所述下端结构（12）分别可拆卸地相接。

7、按照权利要求5或6的一种核燃料组件，其特征在于所述的长形结构件（36）是管状导向管段，並且轴向叠层燃料模件（34）的互联的导向管段（36）形成通过叠层燃料模件（34）扩展到全长的伸长的分段式导向管（44）。

8、按照权利要求7的一种核燃料组件，其特征在于每个导向管段（36）的互锁构造包含由位于导向管段的一端部（62）外周径向凸起（68）和位于其相对端部（64）的内周环形槽（74）。

9、按照权利要求8的一种核燃料组件，其特征在于所述端部（62）是可有弹性地压缩和扩张。

10、按照权利要求8或9的一种核燃料组件，其特征在于每个导向管段（36）的所述相对端部（64）被刚好充分地扩大而便于插到与其相邻的导向管段（36）的所述一端部（62）处。

11、按照权利要求7、8、9或10的一种核燃料组件，其特征在于与每个伸长的分段式导向管（44）结合的可拆卸互联件（58、60、62、64、66）包括一个可拆除地插入分段式导向管（44）的为了绝对防止分布在其内的相匹配的互锁构造（68、74）的意外脱落伸长的管状锁定件（66）。

12、一种优化核燃料利用率的方法，特征在于步骤（a）以相互间层迭的关系组合轴向燃料模件（34）的最初套组使得其中对应的燃料棒段（38）端对端地排列成行;（b）可拆卸地相互配合相邻燃料模件（34）已成行的燃料棒段（38）从而通过组合的燃料模件的叠层形成扩展全长的一组伸长的分段式燃料棒（46）;和（c）可拆卸地相互联接层迭燃料模件（34）使得结构上集成为一轴向积木式燃料组件（32）。

13、按照权利要求12的方法，其特征在于核反应堆堆芯中的所述轴向积木式燃料组件使用后进行下列附加步骤：（d）拆卸互联的轴向燃料模件（34）和其中的相互配合的燃料棒段（38），使之相互分离;（e）分解拆卸后的燃料模件（34）;（f）为最初套组的若干燃料模件替换新的轴向燃料模件（34），和（g）新燃料模件与从最初套组中被保留的燃料模件（34）一起以所述的叠层关系重新组合和可拆卸地重新互联。

14、按照权利要求13的方法，其特征在于所述的被保留的燃料模件（34）是来自最初套组的上下端模件（34A、34B）。

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