CN1061675A - 用于普通水冷核反应堆燃料组件的过滤底部喷嘴 - Google Patents

Abstract

喷嘴(8)包括由交叉连接构件(14)组成的横向部 件，构件(14)由限定大面积的网孔(16)的壁(15)组 成。许多相互平行的薄片(18)固定在网孔(16)之 中。薄片(18)的端部固定在壁(15)上，因此它们的平 面基本平行于流经喷嘴(8)的冷却水循环方向。薄片 (18)在它们之间构成了空间，其宽度小于可能被冷却 液夹带并滞留在燃料组件中的微粒的尺寸。

Description

本发明涉及用于普通水冷核反应堆燃料组件的过滤底部喷嘴，特别是用于压水核反应堆的燃料组件的过滤底部喷嘴。

压水核反应堆包括一个芯体，它由在垂直位置上并排放置的棱柱形组件构成。该组件包括一个框架，它由纵向导管和隔离栅格组成，并由喷嘴封闭，喷嘴中放置燃料棒。

组件其中的一个喷嘴叫做底部喷嘴，安放在下芯体板上，在每个组件的水平面上对该芯体板钻孔，以便让反应堆的冷却水以垂直方向向上通过芯体。

该喷嘴包括安放在下芯体板上的支架和与燃料棒捆方向横切的部件，该部件和支架构成一个整体。该横向部件由一个适配板组成，其中固定着组件导管的底端，适配板有开口，允许反应堆的冷却水在流经底部喷嘴之后通过，并确保其分布，冷却水以垂直方向循环，并与组件燃料棒的外表面接触。

这样，水冷反应堆燃料组件的底部喷嘴的适配板增加了组件框架的强度，并确保承受施加在底部喷嘴上的力，特别是确保承受通过导管向适配板、支架及下芯体板传递的框架及燃料棒捆的重量;此外，适配板必须允许组件冷却水的通过和分布。

适配板主要是受弯曲应力的影响，并承受相当大的压力，特别在其顶部表面和底部表面附近是如此。做成单件形式的这种适配板必须具有足够的厚度，为的是给底部喷嘴增加强度。

在一些燃料棒不再被隔离栅格的支撑部件充分地支撑，并通过其重量的作用而趋向于沿燃料棒捆的轴向滑动的情况下，适配板还必须支撑组件的燃料棒。

当穿过适配板的水流孔通常的孔径大于燃料棒直径时，必须在偏离燃料棒横切位置的地方提供一个孔网，以便使每根燃料棒垂直放置，与适配板的无孔部分成一直线。

即使穿过适配板的全部孔或一些孔的孔径小于甚至显著小于燃料棒的直径，也希望避免将这些直径小的孔垂直安放，与燃料棒成一直线，在燃料棒偶然掉落的情况下，有阻塞一个或多个水流通路的危险，于是就会局部减小或阻碍通过水循环来对燃料棒进行冷却。

此外，所给的适配板厚度对提供水流孔是必要的，以便使通过底部喷嘴的冷却水的压差损失尽可能小。

设计一种满足上述机械和水力特性的各种要求的适配板是极其困难的。

加工这种适配板是一件非常精细的工作，需要很高的精度。

反应堆的主循环系统中可能存在原料的碎片，并易于被循环中的加压水带走。如果它们的尺寸小（例如小于10mm），这些碎片就会通过底部喷嘴适配板，这些喷嘴的水流孔的直径一般大于10mm。碎片可能夹在燃料棒和位于第一栅格平面的支撑燃料棒的部件之间，第一栅格也就是结构均匀地放在组件最低点的支撑燃料棒的隔离栅格。受到轴向和横切方向水压力（在该区域中，这种压力是很大的）的碎片可以磨损燃料棒的包层。随着反应堆主循环系统活动的加剧，存在着导致燃料棒包层密封性丧失的危险。

为了避免在组件内部夹带这些碎片，已经提出通过设置穿过适配板的孔，而在底部喷嘴适配板这一层对冷却液进行过滤的方法，孔的直径足够小，以便防止碎片可能被卡在组件的第一栅格中。

然而，为了确保流经适配板的冷却液的压差损失适度，就必须提供非常密集的穿孔，这进一步增加了加工适配板的复杂性。

如欧洲专利申请EP-A-0，311，037中所描述的那样，也可以提供大直径的穿过适配板的开口，并在这些开口中配置过滤栅格，使行有可能阻止反应堆的冷却水夹带碎片。

通过加工一个铸模件或另外从被焊在一起的几个铸模的或机加工的件中，可以生产出单件燃料组件的底部喷嘴。在这种情况下，特别有助于采用电子束或激光进行焊接。

组件的喷嘴可以由例如被框架固定在外部的交叉连接构件组成，其截面大体与组件的横切面一致，壁连在一起固定在框架上，划定出大面积的网孔，这些网也只造成在反应堆的冷却水循环过程中的可忽略的压差损失。可冲压切割的厚度很小的板以可拆卸的方式安装并固定在交叉连接构件的一个面上。为了限制流经喷嘴的冷却水，板上钻有一些孔，其形状、大小和排列使设定压差损失和流经喷嘴的水的分布成为可能。

法国专利申请89/16，996描述了一种包括横向部件的燃料组件底部喷嘴，该横向部件用来承受应力并保持燃料棒不动，由抗弯曲的交叉连接构件和此交叉连接构件的厚度要薄的隔离板组成，上面钻有按一定规则排列的开口，其尺寸足够小，以便阻止碎片可能被反应堆的冷却水带走并沉淀在组件内部。盒子形喷嘴的横向部件有可能在交叉连接构件和保留碎片的板之间提供一个自由空间，在这之中反应堆的冷却水是静止的，并且碎片被回收。

这种类型的喷嘴的缺点是以三明治的形式来制造，故在其轴向的厚度相当大。这种类型的喷嘴大概会限制增补燃料棒的可能性，在强烈燃烧的反应堆的情况下，会给燃料组件的使用带来一定程度的限制。

于是本发明的目的是提出一种用于普通水冷核反应堆的燃料组件的过滤底部喷嘴，包括用于承受应力和保持燃料棒不动的横向部件，由被框架固定在外部的抗弯曲的交叉连接构件组成，其截面大体与组件的横切面相同，壁划定出网孔，这些网孔形成的开口允许组件冷却水流过，这种喷嘴具有令人满意的水力特性，并在组件的纵向减小了体积，使得有可能对被反应堆的冷却水夹带的碎片进行有效过滤。

为此，根据本发明的底部喷嘴，在交叉连接构件的每个网孔之中，有许多端部固定在网孔壁上的相互平行的薄片，因此，它们的面基本上平行于冷却水的循环方向，结果在它们之间提供了一个空间，其宽度小于可能被冷却液夹带并沉淀在组件内的微粒的尺寸。

为了使本发明变得更清楚，现在参照附图，通过不作为限制的本发明的由底部喷嘴构成的燃料组件实施例和几个底部喷嘴实施例，来进行说明。

图1是安放在反应堆下部芯体板上的压水核反应堆的燃料组件的垂直剖面图。

图2是本发明的过滤底部喷嘴的垂直平面剖视图。

图3是图2所示喷嘴从3的方向向下看的局部顶视图。

图4是根据本发明及第一实施例的过滤喷嘴切下一部分的局部透视图。

图4A和4B是详细的透视图，表示固定图4所示过滤喷嘴的薄片的两种不同方法。

图5是根据本发明及第二实施例的过滤喷嘴的分解局部透视图。

图5A和5B是根据本发明及两个可替换实施例的喷嘴的两个标准过滤部件的透视图。

图6A、6B和6C是根据本发明及三个可替换实施例的喷嘴的薄片的透视图。

图7是根据本发明在另一个实施例允许过滤部件膨胀情况下喷嘴的标准过滤部件透视图。

图1表示一个压水核反应堆的燃料组件，用参考号1代表。该燃料组件包括被隔离栅格3固定并平行排列的燃料棒捆2，隔离栅格3在燃料棒捆上均匀地留出一段空间。

栅格3以均匀方式在燃料棒捆的横切面上支撑燃料棒2，该横切面与组合件的纵向垂直。

按被栅格3划定方式排列的燃料棒的某些位置被导管4占据，导管4的长度大于燃料棒的长度。

在导管4的每端都包括突出于燃料棒捆2两端的部分。

顶部喷嘴5固定在位于燃料棒捆上的导管4的端部。组件的顶部喷嘴5包括弹簧6，它固定反应堆芯体板上的燃料组件1，当装入芯体后，燃料组件1压在组件的弹簧6上。此外，弹簧6还能变形，以便允许反应堆芯内的组件纵向膨胀。

当组件1在反应堆芯中安装就位时，燃料棒捆下方突出的导管4的湍部与底部喷嘴8相连，该喷嘴通过支架10安放在反应堆下芯体板9上。

下芯体板9具有贯穿的水流开口11，这些开口是垂直的，与每个燃料组件1的底部喷嘴吻合。底部喷嘴8包括承受压力和支撑相对于组件横向排列的燃料棒2的部件，导管4的端部固定在该部件上。

燃料组件施加的压力，特别是组件的重量通过导管4、底部喷嘴8的横切部件和支架向下芯体板9传递。

在组件的燃料棒捆2之间循环前，组件的冷却水经开口11流过下芯体板9，然后流过喷嘴8的横向部件。

如果燃料组件的底部喷嘴的横向部件以交叉连接构件的形式生产，放在交叉连接构件上面还有过滤板，那么在冷却液循环过程中过滤板就会引起相当大的压差损失，以致于最初由冷却液加在组件上的垂直水压对固定组件的弹簧来说就会变得太大了，使其不能防止组件从下芯体板升起。事实上，为了进行有效的过滤，穿过过滤板的孔的直径需要限制在一个很小的值，例如3mm数量级。

图2表示根据本发明的底部喷嘴8，它能避免现有技术中的底部喷嘴的缺点，现有技术中的底部喷嘴包括一个横向部件，由交叉连接构件组成，上面装有过滤板。

根据本发明，喷嘴8包括一个承受压力和支撑燃料棒的横向部件，用参考号12表示，以及通过焊接固定在横向部件12的下表面上的支架10。

如图2和3所示，喷嘴8的横向部件12由构件14所组成，它包括限定网孔16的壁15，其截面的形状是带有圆角的四方形。

交叉连接构件14的外围由方形框架限定，其尺寸大体与燃料组件1的横截面尺寸一致。

构件14的限定网孔16的壁15在网孔16的拐角处连在一起，以便形成具有贯穿的开口17的交叉部分，允许在底部喷嘴8的横向部分12上固定组件的导管。

与网孔16的尺寸相比，壁15的厚度相对较小，因此，网孔组16的表面比起喷嘴的全部表面来说要大。

高精度地进行钻孔的构件14在流经喷嘴8的冷却水循环过程中产生相对小的压差损失。

尽管限定网孔16的壁15的厚度较小，交叉连接构件14也有很高的抗弯刚度。

凭借着它的抗弯刚度，构件14，就能令人满意地向支架10和下芯体板传递由组件的导管传过来的机械应力和燃料组件的重量。

喷嘴8的横向部件12也必须在组件内以尽可能低的压差损失均匀地分布冷却液，必须阻止可损害燃料棒和限制燃料棒轴向空隙的碎片，由于扩张作用，这些棒通过在隔离栅格内的滑动而错位。

为了使横向部件12具有这些功能，根据本发明，在每个网孔16中的上部固定有金属薄片18，薄片18的上边缘对齐横向部件12的上表面。

薄片18在每个网孔16中相互平行放置，其方向与网孔16的两个相对平行壁一致。

当把横向部件12的网孔16作为一个整体来考虑时，可以在平行于构件14的方形框架的两个相对面的两个方向中的一个方向或相反方向上安置薄片18。金属薄片18的端部固定在网孔的壁15上，因此薄片18的表面平行于或大体平行于流经底部喷嘴8的液体循环方向，也就是组件的纵向。

金属薄片18一起确定矩形空间，其宽度小于可能夹在燃料组件中燃料棒和栅格壁之间的碎片尺寸。

在用于压水核反应堆的传统类型的组件中，可能利用厚度为0.5mm的金属薄片18，这些薄片一起确定的矩形空间的宽度为3mm。

图4表示包括网孔16的交叉连接构造14，其中金属薄片18的端部直接固定在壁15上，并相互独立。

图4A表示在壁15上固定薄片18端部的第一种方法，壁15在其纵向有槽21，这些槽沿壁15的长度方向均匀隔开，槽的宽度基本等于或略大于薄片18的厚度。

每个薄片18的端部伸进在构件14网孔16的两个相对壁15上的相对安置的两个槽21中。伸进槽21中的金属薄片18的端部通过在槽21内进行铜焊的方法固定在壁15上。

图4B表示通过焊接固定在确定构件14的网孔16的壁15上的两个金属薄片18的端部。一个薄片18通过焊点20固定在壁15的表面，而另一个薄片18通过焊缝22固定在壁15上。

在利用焊接固定的情况下，如图4B所示，没有必要为产生平行槽21而对壁15进行加工，薄片18的端部可以直接安装在网孔16的壁15上。

在构件14的每个网孔16中，以平行排列的方式一片接一片地固定薄片18。

在生产图5、5A和5B所示燃料组件的底部喷嘴的过程中，要包括一个交叉连接构件14′和放在交叉连接构件14′的网孔16′中的金属薄片组28，每个放在构件14′网孔16′中的金属薄片组28形成一个标准部件30，薄片28的端部固定在框架31的两个相对的壁上，框架31的形状与放置部件30的网孔16的形状一致，便于简便地接合，如图5中箭头32所示。

在每个网孔16′之中，对构件14′的壁15′的上面部分进行加工，以形成一个向下凹的部分33，使包括薄片组28的标准部件30的框架31能够嵌入。

在嵌入网孔16′的凹部33之后，标准部件30的框架31被焊接或铜焊在交叉连接构件14′的相应的壁15′上。

薄片28可以从钢带上切下来，通过焊接或铜焊，将其端部固定在框架31的两个相对面上。

固定薄片28的标准部件30的框架31可以通过弯曲或焊接钢带的方法生产出来，该钢带可以和从中切下薄片28的钢带相同。

薄片28的端部可以在穿过框架31的两个相对的壁、且位置相对的槽34中嵌入，以便通过在框架31的外部进行焊接和铜焊，能将薄片28和框架31组装在一起。

薄片28平行排列，在片和片之间确定出矩形空间，其宽度小于希望在燃料组件的底部喷嘴挡住的微粒的尺寸。

图5B表示标准部件30的另一个实施例，包括框架31和端部固定在框架31的两个相对面上的平行薄片组28。

端部固定在框架31的两个相对面上的加固部件35包括许多槽，每个槽中嵌入一个薄片28，这样在冷却水流动或组件的燃料棒压在底部喷嘴的情况下，就有可能固定薄片28，保持其形成的空间。

打算嵌入构件14′的网孔16′中的标准部件30可以作为单个部件来制造，例如通过采用电腐蚀、电化学的方法或用磨蚀水射流切割的方法加工厚的金属板，这些方法可以替换从钢带上切割组装金属板的方法。

从图6A、6B和6C中可以看到，金属薄片，例如分别直接地固定在燃料组件的喷嘴的构件14的壁15上的薄片18，或者例如标准部件30的薄片28，都可以有不同的截面。

图6A表示具有矩形截面的薄片18，它可以通过切割金属板或钢带得到。

图6B表示的薄片18具有两个圆弧形的边缘38a和38b，形成它的横截面上的纵向边界。

圆弧形边缘，例如38a和38b，相对于冷却水流而言形成了薄片18的前缘和后缘，这就能减小放在冷却水流中的薄片18对水的阻力。

如图6B所示的薄片可以通过切割带有圆弧边缘的钢带得到，或对图6A所示的矩形截面薄片进行加工后得到。

此外，为了减小薄片18对水的阻力，还可以考虑采用具有例如图6C所示截面的薄片。这种类型的薄片可以从特殊的辊轧钢带得到，或通过加工得到。

可以通过上述加工方法制造单个的标准部件组，例如图5A和5B所示的组30，它由具有图6C所示截面的薄片组成。

可以用任何材料制造固定在交叉连接构件的网孔中的薄片，只要这些材料在使用燃料组件的条件下具有良好的机械特性，并且能抵抗由反应堆的冷却水中存在碎片而造成的磨损。

例如可以采用镍合金，如Inconel718，或采用马氏体钢。

为了制造组件的底部喷嘴的薄片和交叉连接构件，选择热膨胀系数尽可能接近的材料是有益的。如果采用具有基本上不同的热膨胀系数的材料，就有必要构造薄片的形状，使得薄片和交叉连接构件的热膨胀允许有一定程度的差别。

图7表示一个标准部件40，包括框架41和固定在框架41的两个相对面上的薄片38。

为了允许薄片和准备安装标准件40的交叉连接构件之间有一定程度的热膨胀差别，每个薄片38在其中心部分有一区域39，在该区域中薄片38包括连续的波浪形部分，允许其纵向膨胀。

根据本发明，底部喷嘴包括交叉连接构件和安装在交叉连接构的网孔中的薄片，下面介绍它的主要优点。

包括交叉连接构件的喷嘴的横向部件具有良好的抗弯刚度，并能令人满足地将始于燃料组件的力传给下芯体板。

喷嘴的横向部件以低的差压损失在燃料棒捆中均匀地分布冷却液。

安装在交叉连接构件的网孔中的薄片能阻止碎片对燃料棒可能造成的损害。

根据本发明的喷嘴能有效地轴向保持燃料棒不动，而在相对高的辐射条件下允许燃料棒扩张，这是因为喷嘴的横向部件在组件的纵向相对较小。

事实上，将保持燃料棒不动并对冷却水进行过滤的薄片放在交叉连接构件之中能降低喷嘴的高度，于是便扩大了燃料棒扩张的空间。

燃料棒扩张的可能性增加，这就能以更高的燃耗系数使用燃料棒。

本发明不限于已经描述的实施例。

因此，保持燃料棒不动并对组件中的冷却水进行过滤的薄片可以有除已描述的形状之外的形状，并且可以以不同的方式固定在喷嘴的交叉连接构件上，例如以分别直接固定的方式，或以组或标准部件的方式固定在交叉连接构件的网孔之中。

根据本发明的喷嘴不仅可以作为底部喷嘴用于任何压水冷却核反应堆的燃料组件上，而且可以用作由普通水冷的任何类型的核反应堆的燃料组件的底部喷嘴。

Claims (15)

1、用于普通水冷核反应堆的燃料组件的过滤底部喷嘴，包括用于承受压力和保持组件的燃料棒不动的横向部件(12)，由抗弯曲的交叉连接构件(14，14′)组成，其外围由框架限定，它的截面基本与组件(1)的横切面相同，还有限定网孔(16)的壁(15)，网孔(16)成为组件冷却水流过的开口，其特征在于：每个交叉连接构件(14，14′)的网孔(16，16′)之中包括许多端部固定在网孔壁上的相互平行的薄片(18，28)，这样它们的表面基本上平行于冷却水的循环方向，以便在它们之间形成一个空间，其宽度小于可能被冷却液夹带并滞留在燃料组件1中的微粒的尺寸。

2、根据权利要求1的底部喷嘴，其特征在于：薄片（18）分别直接地固定在交叉连接构件（14）的网孔（16）的两个相对的壁（15）上。

3、权利要求2的喷嘴，其特征在于：薄片（18）的端部嵌入以纵向在交叉连接构件（14）的网孔（16）的壁（15）上加工出来的槽（21）中，并在槽（21）的内部对其进行铜焊。

4、权利要求2的喷嘴，其特征在于：对薄片（18）的端部在交叉连接构件（14）的网孔（16）的壁（15）上进行焊接。

5、权利要求4的喷嘴，其特征在于：对薄片（18）在交叉连接构件（14）的网孔916）的壁（15）上进行点焊。

6、权利要求4的喷嘴，其特征在于：对薄片（18）的端部在交叉连接构件（14）的网孔（16）的壁（15）上通过焊缝（22）进行焊接。

7、权利要求1的喷嘴，其特征在于：安装在交叉连接构件（14′）的网孔（16′）中的每组平行薄片（28）通过它们的端部与框架（31）相连，框架（31）的形状与网孔（16′）的形状一致，并形成一个标准过滤部件（30），它能被焊接或铜焊在交叉连接构件（14）上。

8、权利要求7的喷嘴，其特征在于：标准部件（30）由从金属板或钢带上切割下来并通过焊接或铜焊组合在一起的金属部件组成。

9、权利要求7的喷嘴，其特征在于：标准部件30作为单个部件来制造，并通过加工从厚金属板上切割下来的部分生产出来，采用的加工方法有：电腐蚀、电化学加工或用磨蚀水射流切割。

10、权利要求7、8和9中任一项的喷嘴，其特征在于：标准部件（30）包括固定在标准部件（30）的平行于薄片（28）的外框架（31）的两侧面上的加固部件（35），使薄片（28）横向加固。

11、权利要求1的喷嘴，其特征在于：薄片（18，28）具有矩形截面。

12、权利要求1的喷嘴，其特征在于：薄片（18，28）具有带圆弧形边缘的拉长的截面。

13、权利要求1的喷嘴，其特征在于：薄片（18，28）具有翼形截面，以便减小薄片（18，28）对燃料组件中的冷却水流的阻力。

14、权利要求1的喷嘴，其特征在于：薄片（18，28）由这样的材料构成，其膨胀系数接近制造喷嘴（8）的交叉连接构件（14）的材料的膨胀系数。

15、权利要求1的喷嘴，其特征在于：薄片（38）包括一个具有波浪形部分的区域（39），以便允许其在纵向变形，这是由于薄片（38）和喷嘴的交叉连接构件（14）膨胀不同所致。

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