CN1085006A - 弹簧/波纹仪表管限制器 - Google Patents

Abstract

一种用于压水核反应堆的燃料组件，包括：一顶 端件，一底端件，位于顶端件和底端件之间的一些中 间格架，以及在顶端件和底端件之间延伸的并被固定 到顶端件、底端件和中间格架上的许多根套管，套管 包括控制棒导向管和用以接受传感器的至少一个仪 表套管；一个插入管安装在仪表套管内，插入管具有 径向向内的弹性突出部，其能支撑插入仪表套管中的 传感器结构，限制了传感器结构相对于仪表套管的侧 向位移。

Description

本发明涉及传感核反应堆例如压水堆的燃料组件中状况的仪表的固定装置的领域。其中，这些仪表和/或装这些仪表的管道必须从燃料组件向上延伸，而在此处有由燃料棒加热的一股很强的轴向向上的水流。接纳仪表管的导向管内的插入件有径向向内凸出的对置的弓形波纹，使得仪表管的顶部稳固。

利用裂变材料的发热而用于产生电力的此种类型的核反应堆通常具有反应堆堆芯，其包括许多以紧密配置的方阵排列的燃料棒。燃料棒装载在支撑骨架内，其可作为单元操作。骨架有一个顶板和一个底板，它们被称作管嘴，以及许多称作格架的中间板。格架具有一些开孔，燃料棒穿过这些开孔，并且在一个横向配置的方阵内保持垂直和彼此平行，其是通过格架上的弹性结构，相对刚性地定位。在燃料棒之间通过的原子核通量使燃料棒发热，而沿燃料棒循环的水或其它冷却剂吸取热量，以便用于产生电力。沿着燃料棒表面的水被加热产生对流，使水垂直向上运动。水以很强的轴向流通过燃料棒的顶部。

通过分别固定到格架和管嘴的导向管，燃料组件的顶端件和底端件以及中间格架彼此相对地被固定，其构成一种结构单元以支撑许多燃料棒例如300根左右。导向管为控制棒的通行提供导向，当控制棒下降到堆芯时吸收原子核通量以减少整个的裂变率，或当控制棒提升时使中子通量在燃料棒之间通过，以增加裂变率。

最好，每个燃料组件的导向管中的一根留给仪表，其传感在燃料组件区域内反应堆的运行情况。仪表又装入一根仪表管，其能下降进入一根导向管以便监测，也可以从导向管中提起以便检修。控制棒和仪表的导向管在方阵中占据一些位置，而方阵中其余是燃料棒。一般地，仪表导向管位于燃料棒方阵的中央，而控制棒导向管以一定模式散布在燃料棒之间。

为了达到有效的燃料燃烧率并保证安全运行，连续监测反应堆堆芯内每个燃料组件是十分重要的。通过使用仪表探头实现了适当的监测。探头装置包括容纳传感器的仪表导向管，也就是，一个固定的外壳其长度一直延伸到与燃料组件等长，以及一种电子传感装置。传感装置在很好防振的电缆上装有一个或多个传感器，并将其下降进入外壳中，同时将其电缆接到信号处理装置上。最好，传感装置装在仪表管内，然后下降进入其套管中。许多仪表管能插入选定的套管中，这包括中央导向管和/或其它的套管，而其余将容纳控制棒。通常把仪表管安排成可抽出。传送仪表管中传感器的传感信号的电导体在仪表管的延伸部分之内向上延伸到适当的遥控电子设备，其能够从传感器信号译解出有用的信息。虽然，燃料组件顶端件提供了某些保护，可是，在套管的顶部之上一定的轴向距离内有未屏蔽的膨胀间隙，在此处，仪表管，或者也许是电缆的外部屏蔽或其类似物等伸出套管之上，它们引导传感器到导向管内。

在反应堆运行期间，冷却水从反应堆底部进入并通过燃料组件向上流动。该冷却水的一部分可以沿着套管的内壁和探头外壳（或仪表管）的外壁之间的环形间隙流动。大部分的轴向水流处在燃料棒和导向管的周围。在燃料棒、套管的周围，特别是套管顶部的轴向间隙处流动的高速湍流的水使仪表管的顶部受到实在的侧向振动，在仪表管（和/或为了保护在导向管顶部处仪表管和其导体而设置的任何其它结构）侧向振动并碰撞仪表套管的内壁时，导致了水力诱发的磨损。

这样的状况势必会缩短仪表管以及仪表套管的服务寿命。对该问题的现有技术的解决办法是用一些材料制造这些零部件，这些材料是足够耐用的，可承受由冷却水的不可避免的轴向流动所产生的振动。

已知的仪表套管包括一根不锈钢外管和一根与外管同轴线的锆合金内管。通过在两根管子上形成一系列的环形凸起部，例如，通过相互滑套两根管子，并用径向朝外的压力滚压内管而形成环形互锁隆起部，把锆管和不锈钢管彼此相对地轴向锁定。在仪表套管的顶部，装有仪表套管的不锈钢加强件，其向下延伸到格架中的最上一个。

容纳传感器的仪表管，也能用不锈钢制成。不锈钢具备有足够的强度和硬度，可承受在仪表套管顶部出现的振动诱发的碰撞。不幸的是，可承受的必要的应力和碰撞的一种适当成分的不锈钢通常包含钴。在反应堆原子核通量照射下，不锈钢中的钴被活化了。当仪表管从其导向管中抽出作维护时，例如检验和校准，不锈钢中的钴或其副产物的核衰变产生不希望的危险的辐射。

在不依靠使用后会导致仪表管或套管变成放射性的材料的情况下，提供一些措施使仪表管或套管更耐用，以便经受得住碰撞，这将是十分有利的。即使反堆的运行需要促进水的急速流动，可是减小由于水的轴向急速流动而在燃料组件顶部发生的振动，也将是十分有利的。

本发明的目的是提供一种基本上不能活化的材料，以防护仪表套管的顶部和其内装的仪表管，同时保持像典型的耐用不锈钢材料那样的长工作寿命。

本发明的目的还在于：通过提供一种弹性隔离结构，该结构在套管内部是很容易形成的，来减小由于仪表套管顶部处的振动所产生的碰撞。

这些目的和其它一些目的是这样实现的，压水核反应堆的燃料组件有一种弹簧和波纹结构，该结构是成形在一根非放射性的插入管上，该管子是安置在接纳传感器的仪表管的套管的顶部内，该套管安置在燃料组件之中，并且固定在顶端件、底端件和一些中间格架上。仪表管的套管在顶部是敞口的。在此处传感器或其连接件延伸通过冷却水，以便结合到传感器信号处理机上。弹簧·波纹插入管是安装在仪表管的套管之内，并在其顶部附近向下延伸。弹簧和波纹结构限制了由于冷却水的强烈轴向流动所造成的传感器及其连接件的侧向位移以及所引起的其和仪表管套管的碰撞。在顶部附近插入管的下面，仪表管套管有一根不锈钢的外套管和一根锆合金的内套管。插入管由铬镍铁合金制成，其在辐照之后，仍具有保持良好的弹性特征的优越性能。在插入管径向上相对着的内壁上成形出对置的弹簧和波纹结构，弹簧是这样成形的，按照插入管上配置的轴向切缝，使插入管的在两条切缝之间的腹板径向向内弓弯形成一个弹簧，而波纹是成形为对着弹簧的径向向内的凸起部。

参照附图中示出的某些实施例，披露了本发明。应该理解，本发明并不局限于这些实施例，可以根据说明书和权利要求书的精神作各种变更。

图1是一个压水反应堆压力容器的简化纵剖视图;

图2是按照本发明的燃料组件局部正剖视图;

图3是按照现有技术示出仪表管套管的部分剖视图;

图4是相应于图3的部分剖视图，示出了按照本发明的仪表管的固定装置;

图5是沿图4中线5-5切取的剖面图;

图6是按照本发明的仪表管套管插入件的局部剖切的透视图，示出了相对的弹簧和波纹结构，以限制一个传感器管在其中就位。

图1示出压水核反应堆的反应堆容器部分。反应堆容器24一般和发电机耦合，以便从反应堆容器内的加热的水导出热功率，并与许多控制装置、吊车以及类似装置相结合，吊车用于反应堆容器的内装部件的装卸。在图中只示出了反应堆容器部分。

反应堆容器24有一个外壳26，多于一个的冷却水入口接管28和冷却水出口接管32，横穿过该外壳。到达入口接管28的冷却水在外壳26的内壁和堆芯吊兰36之间的环形通道34中被向下引导，堆芯吊兰容纳燃料组件38，而在接近吊兰36的顶部处其和水出口接管32相配合。在冷却外壳26和吊兰36之后，冷却水沿着细长的燃料棒52的表面向上流动，详细地示于图2，燃料棒以平行竖直关系装在燃料组件内。水的对流加热产生强烈的轴向向上的流动，水被引导到出口接管32，然后送到发电机（没有示出）。

燃料组件38一般是通过定位销固定在上堆芯板54和下堆芯板56之间，定位销使上堆芯板54和各个燃料组件38之间啮合。燃料组件38上的片簧62承受上堆芯板54，以保持燃料组件38稳定地定位在正确的位置，以便由燃料组件38中的导向筒接受控制棒64和仪表管66中的传感器，因此燃料组件是安装成对准上堆芯板54相应的开口。

燃料组件38构成单元结构，以便操作一组燃料棒52，而且大量的燃料组件38能够装在反应堆中。为了控制反应堆容器内的核通量水平，由此来控制沿燃料棒52向上流动的水的加热，对于每个燃料组件38提供了许多控制棒64。控制棒64是由吸收中子和r辐射的材料制成，而且它们通过机械装置68可垂直移动，机械装置68穿过反应堆容器24的螺栓连接的顶盖或密闭封头72上的密封装置。控制棒64可提升到上支承板74和上堆芯板之间的某一位置，此时控制棒可停留在导向筒78中，而导向筒78是与燃料组件38中的控制棒容座或套管82对准的。当下降到分散在燃料棒52之间的控制棒容座或套管82中时，控制棒64横断辐射的路径，否则它将会在燃料棒52之间通过，而增加了裂变率。

除了控制棒导向筒78和套管82之外，每个燃料组件38至少有一根传感器管子92，利用安置在容器24的密闭封头72之上的机械驱动装置86，其穿过导管88可向下延伸，也可以垂直移入燃料棒52区域中。每一个燃料组件38，可以有许多可移动的传感器外壳或管子66，其是与在燃料组件38中一定的套管92对准的。传感器管能装有温度传感器和探测入射r和辐射的传感器，并且对于评估反应的整个状况以及在某些的燃料组件中可能发生的局部状况是很有用的。最好，每一个传感器管92装有许多轴向等间距的辐射传感器和至少一个温度传感器，例如热电偶，其能探测靠近燃料组件38顶部出口水的温度。用穿过传感器管92的电缆，把这些传感器结合到远离反应堆容器24的信号处理装置上。

在图1中，只示出了两个燃料组件38和处于下部位置上的一个传感器管66，以便监测安置两个已示出的燃料组件38之间区域一个燃料组件（未示出）。图2示出典型燃料组件38的上面部分，包括仪表管或套管92的顶部，而传感器管66能降入其中。

参照图1和2，每个燃料组件38具有一个顶端件102，底端件104，和装置在它们之间的许多格架106。顶端件102，底端件104和格架106刚性地固定到套管82、92上，导向管分别接受控制棒64和仪表管66。以这种方式，每个燃料组件38构成一个单元，通过此单元可以操作一组燃料棒52。燃料棒52是细长的，许多的裂变材料芯块装在锆合金管内，而管子两端被塞住。通常燃料棒52在顶部和底部端件102，104之间延伸，并且通过格架106固定就位，在格架上开槽并使其变形，以限定内面弹簧弓108，径向向内支承燃料棒52。

燃料组件38，尤其是用于控制棒和传感器的套管82、92，通过从上堆芯板54下突出的销钉（未示出）插进顶端件的定位孔中来相对地对准上堆芯板。通常，顶端件102在中间是敞开的，以使控制棒64和传感器管66自由通过。固定在上堆芯板54的顶部和上支持板74的底部上的导向筒78、88，在上堆芯板54以上的区域内，保持可移动的传感器管66。然而，在上堆芯板54下面和在仪表管套管92固定到顶端件102处之上，存在一个没有防护的区域，在此处传感器管66（和/或其连接机构）暴露在垂直的冷却水流中。沿着细长的传感管66的这种快的湍流，使在套管92中的传感器管66侧向位移并振动，导致传感器管66和其接受套管92之间的内环碰撞。

图3利用同样的参考数字来识别相应的部件，示出了仪表套管92和燃料组件顶端件102之间的常规装配。一不锈钢外管112固定到顶端件102下侧孔中，而且其大体上延伸到紧相邻的格架114，也就是格架106中的最上一个格架。沿着不锈钢管112的内壁固定锆合金管116，其与不锈钢管112大致上共同扩张地延伸，不锈钢管固定在各个格架114上和顶端件102上。在不锈钢管112中可以设置缝隙122，这考虑到膨胀以及中子和r辐射的通道，因为中子和r辐射通过锆合金比通过不锈钢更容易。在内管116（锆合金管）和外管112（不锈钢管）两者上，都成形了许多附加的环形弯曲或凸起部124，以使它们在轴上锁定在一起。鉴于这种装置没有相关的结构来限制传感器或传感器管在锆合金内管内的侧向运动，当经受套管92顶部126以上区域中的水湍流的轴向流动时，传感器或传感器管66会碰撞套管92的内壁。为了提供一个合理的使用寿命，常规的传感器管或传感器同样地装在不锈钢之内。

对于这种应用所需要的强度和硬度的那种不锈钢，一般地含有钴和其它元素。问题在于当传感器或传感器管66装备有不锈钢外壳时，由于暴露在邻近燃料组件38的辐射之下，钴或其类似物变成放射性活化。因此，尽管传感器管或外壳是适当的坚硬，而当需要把传感器管或外壳取出时，在反应堆容器之外会释放出辐射，也就是由传感器或外壳66释放出辐射。此外，由传感器的外壳所发射的辐射可由传感器探测到，导致了基础计数随时间增加。

按照本发明，一种较软材料能用来容纳传感器，也就是，用于辐射和温度传感器的可移动传感器管66。此种软材料可以是一类没有被辐照活化的材料，其最好是锆合金。对于不锈钢的击撞，锆合金的抗损伤能力要比不锈钢小许多。然而，按照本发明，传感器管66是以这样一种方式确实地支撑着，它能阻止会损害传感器外壳或管66的内环碰撞，当需要时，还可使传感器外壳或管很容易地取出。

如图3所示，本发明的仪表管固定装置有一个如前一样固定到各个燃料组件38的顶端件102和固定到紧挨着的相邻格板114上的不锈钢外管112，把锆合金衬管116装入不锈钢外管112中，并用附加的环形凸起124使其结合。然而，按照本发明，锆合金衬管116不延伸到套管92的顶部126。而在邻近仪表套管92的顶部126设置一个短长度的铬镍铁合金管。铬镍铁合金是钢和镍的合金，虽然它不像不锈钢那样坚硬，可是它具有良好的弹性。尤其是，铬镍铁合金具有低的辐照诱发的松驰特性。因此，尽管经过一段时间来自核燃料的辐照，铬镍铁合金内管132的弹性在燃料组件使用的寿命期间内仍然大体上保持恒定。

铬镍铁合金内管132的长度可以是30到60厘米（1或2英尺长），而最好是30到45厘米（1到1.5尺）长。沿着铬镍铁合金插入管，在交替的径向相对位置上分别成形出波纹134和弹簧136，换种方式说，就是在铬镍铁管132的相对两侧上成形出波纹和弹簧。弹簧和波纹减小了邻近顶部126的套管92的内径，而且，通过弹性地固定传感器管就位，使传感器管66的振动减至最小，并且阻止与套管内壁的碰撞。

以简单的径向向内压陷，例如，压深0.25到0.75厘米（0.1至0.3英寸）深，成形出波纹134。波纹134轴向延伸0.75厘米（0.3英寸）左右，并且，例如可以按间隔2.5到8厘米（1到3英寸）设置。

弹簧136每个都是这样成形的，利用使两条狭缝138之间的腹板140径向向内变形，以确定一个弹簧弓，弹簧弓在狭缝138的两个端部，仍整体地连在管段132上。例如，狭缝138可以是1.2厘米长和0.5厘米宽（0.5×1.2厘米）。这些尺寸是可以按需要改变的，以提供较软的夹弓或较强的夹弓，例如，通过使用轴向更长的和/或更接近配置的狭缝，可形成较软的夹弓。

在所示的实施例中，铬镍铁合金弹簧/波纹管段132，不是通过附加的环形凸起部，像上文锆合金管那样，轴向固定到不锈钢外管112上。为了轴向固定铬镍铁合金管，成形类似的凸起部是可能的。然而，最好，在仪表套管92的顶部边缘上，铬镍铁合金管以点焊142刚性地固定到不锈钢管112上。

弹簧136和波纹134最好是设置在管子周围的四个位置上，如图5的剖视图所示。也有可能采用一组径向上相对的弹簧和波纹，如图6的局部切割的透视图一样，或者采用不同于图5的正交轴线布置的而以其它角度布置的弹簧和波纹，例如，弹簧156和波纹134可按120°间隔设置，而不是图5所示的90°间隔。

波纹以离仪表套管92内壁一个特定径向间隙确定地将传感器套管66定位。弹簧136用于保持传感器管紧靠在波纹134上，最好是足够地靠紧，以阻止插入的传感器或套管66相对于仪器管套管92的振动。

Claims (9)

1、一种用于压水核反应堆的燃料组件，包括：

一个顶端件(102)，一个底端件(104)，位于顶端件(102)和底端件(104)之间用于接受核燃料棒(52)的一些中间格架(106)，以及在顶端件(102)和底端件(104)之间延伸的并被固定到顶端件(102)、底端件(104)和中间格架(106)上的许多根套管(82、92)，套管包括控制棒导向管(82)和用以接受传感器(66)的至少一个仪表套管(92)，而传感器(66)被结合到安置在仪表固定装置之上的信号处理装置；

一个插入管(132)安装在仪表套管(92)内，并且其由仪表套管(92)的顶部(126)附近延伸至少一部分长度，插入管(132)具有径向向内的弹性突出部(134，136)，其能支撑插入仪表套管(92)中的传感器结构(66)，由此，限制了传感器结构(66)相对于仪表套管(92)的侧向位移。

2、按照权利要求1所述的燃料组件，其特征在于：仪表套管（92）包括一个不锈钢外套管（112）和一个锆合金内套管（116），上述内套管（116）由顶部向下延伸，该顶部离仪表套管（92）的顶部（126）有一定的距离，插入管（132）安装在上述内套管（116）的顶部和仪表套管（92）的顶部（126）之间。

3、按照权利要求2所述的燃料组件，其特征在于：插入管（132）和内套管（116）是通过焊缝和附加的直径变化结构（124）中的至少一种固定在外套管（112）中。

4、按照权利要求3所述的燃料组件，其特征在于：内套管（116）是通过由许多轴向配置的附加的突起部（124）组成的直径变化结构固定在外套管（112）中，而插入管（132）被焊到外套管（112）上。

5、按照权利要求1所述的燃料组件，其特征在于：插入管（132）在其内壁上设置有径向向内的支承弹簧（136）。

6、按照权利要求5所述的燃料组件，其特征在于：进一步包括对着弹簧（136）的波纹（134），这些波纹（134）被成形为插入管（132）上的一些压坑，至少一种弹簧（136）是这样成形的，利用插入管（132）上配置的切缝（138），在上述的切缝（138）之间的插入管（132）的腹板（140）被径向向内弯成弓形，以构成上述的弹簧（136）。

7、按照权利要求6所述的燃料组件，其特征在于：切缝（138）是沿着插入管（132）轴向延长的。

8、按照权利要求7所述的仪表管固定装置，其特征在于：插入管（132）是由具有低的辐照诱发松驰特征的材料所构成。

9、按照权利要求8所述的燃料组件，其特征在于：插入管（132）是由铬镍铁合金制成。

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