CN106716546A - 核燃料组件 - Google Patents

Abstract

一种用于在核动力反应堆的堆芯中使用的燃料组件。该组件包括被成形并配置成装配在核反应堆内部堆芯结构内的框架和由框架支撑在燃料棒束中的多个螺旋形扭绞的燃料元件。燃料元件中的每一个包括可裂变材料。当在垂直于燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，燃料棒束的最外侧燃料元件限定大致圆形的周边。还描述了其他特征和核反应堆。

Description

核燃料组件

交叉引用

本申请是2014年9月16日提交的美国申请号62/050,985的非临时申请。本申请还是2013年11月15日提交的申请人的共同未决的美国申请号14/081,056的部分连续申请案，该申请要求2013年5月10日提交的美国临时申请号61/821,918的优先权。本申请还是2013年6月3日提交的申请人的共同未决的美国申请号13/695,792的部分连续申请案，该申请是2011年5月11日提交的PCT/US2011/036034的美国国家阶段，该PCT/US2011/036034进而要求2011年2月21日提交的美国申请号61/444,990、2010年10月15日提交的美国申请号61/393,499和2010年5月11日提交的美国申请号61/333,467的优先权。所有前述申请的全部内容在此都通过引用明确地并入本文。

背景技术

技术领域

本发明大体涉及核反应堆和核反应堆的堆芯中使用的核燃料组件。更具体地，本发明涉及加拿大氘-铀(CANDU)重水反应堆，和在其中使用的燃料组件。

相关技术

图1A和图1B描绘了传统燃料组件10的示例的简化横截面图。图1A描绘了PWR类型的燃料组件10，并且图1B描绘了水冷却水慢化动力反应堆(VVER)类型的燃料组件10。在图1A中，燃料棒组件10包括组装到正方形栅格内的燃料棒。图1A的PWR燃料组件10具有可被描述为具有正方形横截面形状的燃料棒束自间隔。在图1B中，燃料组件10包括布置成三角形栅格的燃料棒。图1B的VVER燃料组件10具有可被描述为具有正六边形横截面形状的燃料棒束自间隔。

当这些组件装配到管12中时，形成了未被燃料棒组件使用的空的区段，如图1A中位于管12与正方形14之间以及图1B中位于管12与六边形16之间的阴影区域14所示。根据实施例，正方形栅格中的组件占据外接圆(例如，管12)的面积的近似63.7％，而三角形栅格中的组件占据外接圆(例如，管12)的面积的近似82.7％。

已知使用空的空间来解决在燃耗期间燃料棒和组件膨胀的顾虑。还已知用可燃吸收器等等填充这些区域。

发明内容

根据实施例，一种用于在核动力反应堆的堆芯中使用的燃料组件可以包括：框架，被成形并配置成装配在核反应堆内部堆芯结构内；和由框架支撑在燃料棒束中的多个螺旋形扭绞的燃料元件，其中燃料元件中的每一个包括可裂变材料。当在垂直于燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，燃料棒束的最外侧燃料元件可以限定大致圆形的周边(例如，十二边形)。根据实施例，框架可以被成形并配置成装配在CANDU反应堆的压力管内。

根据实施例，多个燃料元件中的每一个可以具有大致相同的外接直径。多个燃料元件可以以同心圆布置。另外地或可替代地，多个燃料元件可以被布置成包括第一矩形栅格图案和第二三角形栅格图案的混合栅格图案。

根据实施例，第一矩形栅格图案和第二三角形栅格图案可以至少部分相互交替。多个燃料元件中的一些可以与相邻燃料元件分离公共的中心线到中心线距离，且多个燃料元件中的一些的外接直径可以等于中心线到中心线距离。

根据实施例，燃料元件中的每一个可以具有包括肋、例如盘旋肋的多叶形轮廓。相邻燃料元件的肋可以在燃料元件的轴向长度上周期性地相互接触以至少部分地维持燃料元件相对于彼此的间隔。根据实施例，燃料元件可以包括挤出的燃料元件。

根据实施例，多个燃料元件可以由61个燃料元件构成。

根据实施例，框架可以包括外接燃料棒束的结构，使得燃料元件中的所有都位于结构的内侧。结构可以包括护罩。当在垂直于燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，护罩可以限定出大致限定了圆或十二边形的横截面。当在垂直于燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，燃料组件可以占据大于外接燃料组件的管的内部横截面面积的约64％、更具体地大于外接燃料组件的管的内部横截面面积的约83％。根据实施例，燃料组件可以占据外接燃料组件的管的内部横截面面积的约83％与约95％之间。

根据实施例，燃料组件在热力学上被设计用于并在物理上被成形用于具有在2014年之前实际使用的反应堆设计的传统核电站的传统陆基核动力反应堆中的操作，且框架被成形并配置成代替用于所述反应堆的传统燃料组件装配到路基核动力反应堆中。例如，传统路基核动力反应堆可以是CANDU反应堆。

根据本发明的另一方面，一种核反应堆包括堆芯和布置在堆芯内的一个或多个燃料组件。燃料组件可以包括：框架，被成形并配置成装配在堆芯内；和由框架支撑在燃料棒束中的多个螺旋形扭绞的燃料元件，其中燃料元件中的每一个包括可裂变材料。当在垂直于燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，燃料棒束的最外侧燃料元件可以限定大致圆形的周边。根据实施例，核反应堆是包括压力管的CANDU反应堆，并且框架被成形并配置成装配在压力管内。

根据实施例，多个燃料元件中的每一个可以具有大致相同的外接直径。多个燃料元件可以以同心圆布置，和/或多个燃料元件可以被布置成包括第一矩形栅格图案和第二三角形栅格图案的混合栅格图案。第一矩形栅格图案和第二三角形栅格图案可以至少部分相互交替。

根据实施例，核反应堆是在2014年之前实际使用的。

根据实施例，燃料元件中的每一个具有包括盘旋肋的多叶形轮廓。相邻燃料元件的肋可以在燃料元件的轴向长度上周期性地相互接触以至少部分地维持燃料元件相对于彼此的间隔。根据实施例，燃料元件可以包括挤出的燃料元件。

根据实施例，燃料元件的框架包括外接燃料棒束的结构，使得燃料元件中的所有都位于结构的内侧。结构可以包括护罩，当在垂直于燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，该护罩限定出大致限定了圆或十二边形的横截面。

本发明的各种实施例的这些及其他方面以及操作的方法和结构的相关元件的功能及部件与制造经济性的组合将在考虑参照附图进行的以下描述和随附权利要求时变得更加明显，所有这些附图都形成本说明书的一部分，其中同样的参考数字在各种图中指示相应的部件。在本发明的一个实施例中，本文图示出的结构组成部件按比例绘制。然而，应清楚地理解的是，附图仅用于说明和描述的目的，并且不旨在作为本发明的限制的定义。另外，应领会的是，本文的任何一个实施例中示出或描述的结构特征也可以用在其他实施例中。如在说明书和权利要求书中所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确指出。

附图说明

为了更好地理解本发明的实施例以及其他特征，参照将结合以下附图使用的以下描述，其中：

图1A是具有组装在正方形栅格中的燃料棒的传统燃料组件的简化横截面图；

图1B是具有组装在三角形栅格中的燃料棒的传统燃料组件的简化横截面图；

图2是根据实施例的由在正方形-三角形栅格中的61个燃料棒组成的自间隔的燃料组件的布局的简化横截面图；

图3是根据实施例的由在正方形-三角形栅格中的19个燃料棒组成的自间隔的燃料组件的布局的简化横截面图；

图4描绘了在沿着燃料组件的初始参考位置、本文称为初始0°位置处的燃料组件的实施例的横截面图；

图5描绘了相对于图4的初始0°位置在30°燃料棒转动处或在燃料棒旋转螺距的1/12的纵向移位处的图4的燃料组件的横截面图；和

图6描绘了相对于图4的初始0°位置在60°燃料棒转动处或在燃料棒旋转螺距的1/6的纵向移位处的图4的燃料组件的横截面图。

具体实施方式

本文中描述的实施例可以在维持或提高安全水平的同时增加作为整体的CANDU燃料组件和/或反应堆的燃料燃耗功率和/或水平(直到卸载的操作时间)。根据实施例，这可以通过由扭绞的自间隔的整体式燃料棒制成的燃料组件的使用来实现，例如，在申请人的共同未决的美国申请号11/081,056和13/695,792中所公开的挤出的铀-锆(U-Zr)燃料棒，这些申请的全部内容通过引用明确地并入本文。

CANDU燃料组件典型地利用非常短(例如，50cm量级)的燃料棒。本发明的实施例提供了CANDU燃料棒的部分或完全自间隔的组件。例如，本文中公开的一些燃料组件提供了在它们自身之间的所有燃料棒的自间隔(例如，肋挨着肋)。然而，替代实施例可以包括非自间隔的布置。实施例可以包括具有护罩或者包围燃料棒束的全部或一部分的其他通道或装置(本文中统称为“护罩”)的框架，并且比利用现有技术可能达到的更好地利用护罩内侧可用的空间。例如，如下面将更详细地描述的，实施例使用阵列中的“正方形-三角形”燃料棒栅格。

图2是自间隔的燃料组件100的实施例的简化横截面图。燃料组件可以包括在正方形-三角形栅格中的61个燃料棒102，然而，其他配置是可能的。图2所示的燃料组件可以具有与高级CANDU反应堆(ACR)CANDU柔性(CANFLEX)43元件组件相同或相似的封套。虽然典型的CANFLEX组件具有43个燃料元件，燃料元件中的每一个具有约13.5mm的外径，但图2所示的燃料组件100可以具有61个燃料元件102，燃料元件中的每一个具有约11.5mm的外径，然而，可以设想到其他数量和尺寸的燃料元件。

图2的燃料组件可以装配到护罩104中。例如，护罩104可以具有十二边形形状的横截面，然而，可以设想到其他形状。根据实施例，外接燃料元件102的圆的半径R可以小于或等于51mm。根据实施例，护罩104的内半径可以是约51.7mm，然而，其他实施例是可能的。护罩104可以具有十二边形形状，并且可以限定横跨约100mm(≤99.99mm)的平面的宽度h。根据实施例，61个燃料元件的正方形-三角形栅格限定了占据外接圆(例如，护罩104或压力管)的面积的近似95.5％的外周边。参照图3，19个燃料棒102的中心区域可以几乎完美地装配到管中。根据实施例，外接中心19个燃料棒的圆的半径R19可以具有3.922mm的直径，然而，其他尺寸是可能的。

参见图2和图3，燃料元件可以位于相互混合的第一和第二栅格图案中，以形成本文中所称的“正方形-三角形栅格”。第一栅格图案包括正方形布置的行和列的燃料元件，在行与列之间具有等于燃料元件的公共的外接直径“d”的中心线到中心线距离(请见用于第一“正方形”栅格的示例的图3中的参考符号106)。第二栅格图案包括等边三角形，其中各三角形的各边的长度(即，限定了各三角形的角的相邻燃料元件之间的中心线到中心线距离)是燃料元件的公共的外接直径“d”(请见用于第二“三角形”栅格的示例的图3中的参考符号108)。因此，第二/三角形栅格图案108不同于第一/正方形栅格图案106。根据替代实施例，也可以在不脱离本发明的范围的情况下使用附加和/或替代栅格图案(例如，矩形栅格图案、等距栅格图案、平行四边形图案、其他规则重复图案)。根据实施例，给定燃料元件102可以位于具有一组包围的燃料元件的正方形栅格图案中，并且同时位于具有另一组包围的燃料元件的三角形栅格图案中，然而，其他配置是可能的。

仍然参见图2和图3，当从一个或多个视角观察时，正方形106和三角形108栅格图案可以相互交替。例如，正方形106和三角形108栅格图案可以随着从燃料组件的中心110到外周边、例如护罩104的任何给定半径的移动而相互交替(但不一定是在一对一的基础上)。另外地或替代地，燃料元件102可以以同心圆布置，并且正方形和三角形栅格图案可以随着围绕同心圆中的任一个的移动而相互交替(但不一定是在一对一的基础上)。

如前面所提到的，燃料元件可以是自间隔的。根据实施例，独立于所选择的燃料棒形状，自间隔可以是燃料棒外接直径的因素，然而，其他配置是可能的。根据某些实施例，燃料棒102可以是具有扭绞的肋的任何形状(例如，具有肋的管、正方形等等)。然而，其他形状是可能的，诸如圆形横截面、规则几何横截面等等。

图4至图6描绘了包括四叶燃料棒202的燃料组件200的实施例的横截面图，诸如在申请人的共同未决的美国申请号14/081,056和13/695,792中描述的那些，其全部内容通过引用并入本文。根据进一步的方面，诸如四叶设计等的某些燃料棒形状可以针对不同的反应堆被标准化。例如，具有四叶形状、12±1mm的外接直径且稍微修改的燃料棒可以变成用于诸如PWR和CANDU等的不同反应堆的标准。

图4描绘了在初始参考位置、本文中称为初始0°位置处的燃料组件200。初始0°位置可以发生在沿着燃料棒202的任何点处，并且可以以规则的间隔发生。图5描绘了相对于图4在燃料棒叶204的30°转动的点(例如，燃料棒旋转螺距的1/12的纵向移位)处的图4的燃料组件200。图6描绘了相对于图4在燃料棒叶204的60°转动的点(例如，燃料棒旋转螺距的1/6的纵向移位)处的图4的燃料组件。远离图4的位置的叶204的90°转动或燃料棒旋转螺距的1/4的纵向移位重复了图4所示的0°的暂定初始位置。在图4至图6中，八个燃料棒202'指示了在横截面内的不与其他燃料棒202或护罩206接触的仅有的棒。在图4、图5和图6所示的那些之间的轴向位置处，燃料棒相互或与护罩206没有纵向接触。于是，燃料组件是自间隔的，并且所有的燃料棒沿着组件的长度自间隔。

如之前所提到的，燃料棒可以包括申请人的共同未决的美国申请号14/081,056和13/695,792中所描述的四叶燃料棒。然而，根据替代实施例，前述燃料组件中的四叶燃料棒中的任一个可以用标准的粒状柱形燃料棒(铀或钍)或可燃载毒燃料棒(例如，含有钆(Gd)、铒(Er)和/或镝(Dy))来替代。

如贯穿本申请所使用的，术语“护罩”包含可以或者部分地或者完全地包围燃料棒束的各种各样不同的设计。例如，根据实施例，“护罩”可以是穿孔的或具有狭缝的实心十二边形护罩。替代地，“护罩”可以包括单独的带或护罩条，或者在圆柱形壳体上的铆接(例如，实心或具有狭缝的“镂空”)。此外，术语“护罩”可以包含基于该描述的对于本领域普通技术人员来说显而易见的其他类似结构和设计。

提供前述图示实施例是为了说明本发明的结构和功能原理，而不是限制性的。相反，本发明的原理旨在包含在所附权利要求的精神和范围内的任何和所有的改变、更改和/或替换。

Claims (33)

1.一种用于在核动力反应堆的堆芯中使用的燃料组件，所述组件包括：

框架，被成形并配置成装配在所述核反应堆内部堆芯结构内；和

由所述框架支撑在燃料棒束中的多个螺旋形扭绞的燃料元件，所述燃料元件中的每一个包括可裂变材料；

其中当在垂直于所述燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，所述燃料棒束的最外侧燃料元件限定大致圆形的周边。

2.根据权利要求1所述的燃料组件，其中所述框架被成形并配置成装配在CANDU反应堆的压力管内。

3.根据权利要求1所述的燃料组件，其中所述多个燃料元件中的每一个具有大致相同的外接直径。

4.根据权利要求1所述的燃料组件，其中所述多个燃料元件以同心圆布置。

5.根据权利要求4所述的燃料组件，其中所述多个燃料元件被布置成包括第一矩形栅格图案和第二三角形栅格图案的混合栅格图案。

6.根据权利要求5所述的燃料组件，其中所述第一矩形栅格图案和所述第二三角形栅格图案至少部分相互交替。

7.根据权利要求1所述的燃料组件，其中所述多个燃料元件中的一些与相邻燃料元件分开公共的中心线到中心线距离，且

其中所述多个燃料元件中的一些的外接直径等于所述中心线到中心线距离。

8.根据权利要求1所述的燃料组件，其中所述燃料元件中的每一个具有包括肋的多叶形轮廓。

9.根据权利要求8所述的燃料组件，其中所述肋包括盘旋肋。

10.根据权利要求9所述的燃料组件，其中相邻燃料元件的所述肋在所述燃料元件的轴向长度上周期性地相互接触以至少部分地维持所述燃料元件相对于彼此的间隔。

11.根据权利要求1所述的燃料组件，其中所述多个燃料元件由61个燃料元件构成。

12.根据权利要求1所述的燃料组件，其中所述燃料元件包括挤出的燃料元件。

13.根据权利要求1所述的燃料组件，其中所述框架包括外接所述燃料棒束的结构，使得所述燃料元件中的所有都位于所述结构的内侧。

14.根据权利要求13所述的燃料组件，其中所述结构包括护罩。

15.根据权利要求14所述的燃料组件，其中当在垂直于所述燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，所述护罩限定出大致限定了圆或十二边形的横截面。

16.根据权利要求1所述的燃料组件，其中当在垂直于所述燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，所述燃料组件占据大于外接所述燃料组件的管的内部横截面面积的约64％。

17.根据权利要求16所述的燃料组件，其中所述燃料组件占据大于外接所述燃料组件的所述管的所述内部横截面面积的约83％。

18.根据权利要求16所述的燃料组件，其中所述燃料组件占据外接所述燃料组件的所述管的所述内部横截面面积的约83％与约95％之间。

19.根据权利要求1所述的燃料组件，其中：

所述燃料组件在热力学上被设计并在物理上被成形用于具有在2014年之前实际使用的反应堆设计的传统核电站的传统陆基核动力反应堆中的操作；且

所述框架被成形并配置成代替用于所述反应堆的传统燃料组件装配到所述路基核动力反应堆中。

20.根据权利要求19所述的燃料组件，其中所述传统路基核动力反应堆是CANDU反应堆。

21.一种核反应堆，包括：

堆芯；和

布置在所述堆芯内的一个或多个燃料组件，其中所述燃料组件包括：

框架，被成形并配置成装配在所述堆芯内；和

由所述框架支撑在燃料棒束中的多个螺旋形扭绞的燃料元件，所述燃料元件中的每一个包括可裂变材料；

其中当在垂直于所述燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，所述燃料棒束的最外侧燃料元件限定大致圆形的周边。

22.根据权利要求21所述的核反应堆，其中所述核反应堆是包括压力管的CANDU反应堆，并且所述框架被成形并配置成装配在所述压力管内。

23.根据权利要求21所述的核反应堆，其中所述多个燃料元件中的每一个具有大致相同的外接直径。

24.根据权利要求21所述的核反应堆，其中所述多个燃料元件以同心圆布置。

25.根据权利要求24所述的核反应堆，其中所述多个燃料元件被布置成包括第一矩形栅格图案和第二三角形栅格图案的混合栅格图案。

26.根据权利要求21所述的核反应堆，其中所述核反应堆是在2014年之前实际使用的。

27.根据权利要求25所述的核反应堆，其中所述第一矩形栅格图案和所述第二三角形栅格图案至少部分相互交替。

28.根据权利要求21所述的核反应堆，其中所述燃料元件中的每一个具有包括盘旋肋的多叶形轮廓。

29.根据权利要求28所述的核反应堆，其中相邻燃料元件的所述肋在所述燃料元件的轴向长度上周期性地相互接触以至少部分地维持所述燃料元件相对于彼此的间隔。

30.根据权利要求21所述的核反应堆，其中所述燃料元件包括挤出的燃料元件。

31.根据权利要求21所述的核反应堆，其中所述框架包括外接所述燃料棒束的结构，使得所述燃料元件中的所有都位于所述结构的内侧。

32.根据权利要求31所述的核反应堆，其中所述结构包括护罩。

33.根据权利要求32所述的核反应堆，其中当在垂直于所述燃料组件的轴向方向的横截面中观察时，所述护罩限定出大致限定了圆或十二边形的横截面。