CN110462748A - 用于小型模块化反应堆的优化核燃料芯设计 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，用于核反应堆的燃料芯包括包含核燃料组件的上内部单元和的下内部单元。组装的燃料芯包括上芯板，下芯板和在它们之间延伸的多个通道盒。每个通道盒包括多个外壁和内壁，它们共同限定了纵向延伸的具有横截面区域的内部通道或单元，在一些实施例中，该横截面区域配置成保持不超过单个核燃料组件。圆柱形反射器周向环绕通道盒，并且通过上芯板和下芯板在相对的端部处接合。每个通道盒内的相邻单元形成在内壁的相对侧上，使得单元通过内壁彼此分开而在它们之间没有任何水隙，这有利于一些小型模块化反应堆设计的中子学。

Description

用于小型模块化反应堆的优化核燃料芯设计

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2017年3月21日提交的美国临时专利申请序列号62/474,396的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本申请一般涉及适用于发电设施的核反应堆，更具体地涉及用于这种反应堆的核燃料芯。

当今世界上运行的大多数核反应堆使用轻质或普通水来从燃料中除去热量。一般而言，这些水冷反应堆利用核链式反应产生的热量来加热或煮沸水，并结合朗肯蒸汽循环来发电。有两种通用类型的轻水反应堆(LWR)-沸水反应堆(BWR)和压水反应堆(PWR)。BWR在接近1000psi的压力下操作并使用核热量直接在反应堆容器中煮沸水，而PWR在约2250psi的更高压力下操作，以防止在反应堆容器中沸腾。在PWR中，反应堆水热量被传递到二级蒸汽发生器回路，其中由沸腾产生的蒸汽随后用于产生电力。因此，当前运行的PWR的反应堆堆芯的设计和操作条件与BWR的反应堆堆芯有显著不同。

PWR反应堆堆芯通常容纳在称为反应堆压力容器或简称为反应堆容器的压力容器内，该容器使主冷却水循环通过堆芯。轻水反应堆中的典型核反应堆堆芯包括多个紧密堆积的“核燃料组件”(也称为核燃料束)，在美国其通常可具有方形截面。每个核燃料组件通常是多个“核燃料棒”的集合，它们是密封的中空圆柱形金属管(如不锈钢或锆合金)，叠放有以工程图案排列的浓缩铀燃料芯块和整体可燃毒物，以便于作为核燃料组件的尽可能均匀“燃烧”的轮廓(在轴向和横向/侧向)。PWR中的控制棒组件通常可从上方在燃料棒之间直接可拆卸地直接插入燃料组件中，并用于调节核裂变反应。在BWR中，控制组件通常从底部插入燃料组件之间。

反应堆堆芯中核燃料组件的间隔和布置可能显著影响中子学(neutronics)。中子学涉及中子的物理特性和它们穿过堆芯中的材料以及由此产生的裂变反应。因此，中子学会影响反应堆的性能和功率水平。在传统的PWR反应堆中，燃料组件布置在开放式格子中，它们之间没有任何物理屏障。这产生了均匀的热液压条件，因为每个燃料组件与相邻组件没有液压隔离。对于一些PWR反应堆堆芯设计，例如当前的小型模块化反应堆(SMR)设计平台，这种传统的布置可能对所需的中子学产生不利影响。

尤其是用于小型模块化反应堆的PWR堆芯需要改进。

发明内容

提供了适用于小型模块化反应堆(SMR)的核反应堆燃料芯，其配置和构造成改善反应堆的中子学。在一个实施例中，反应堆燃料芯可包括燃料组件支撑系统，该系统包括多个垂直延伸的通道盒，每个通道盒配置成在其中保持多个燃料组件。通道盒通过燃料组件在反应堆容器中提供主冷却剂的通道流。在一些实施例中，通道盒可具有矩形棱柱形或立方体形状。在一个实施例中，每个通道盒可包括垂直定向的外侧壁或外壁以及垂直地与外壁相交的内侧壁或内壁。内壁将每个通道盒内的空间分成多个内部通道或单元，每个内部通道或单元具有配置成用于保持不超过单个核燃料组件的横截面。在内壁的相对侧上形成的每个通道盒内的相邻单元仅通过单个厚度的内壁彼此分开，在它们之间没有形成开放的水隙，从而有益于堆芯的中子学。有利地，通道盒的内壁结构还用于在结构上加强通道盒，以消除或最小化中子引起的对反应控制棒的完全和适当插入有不利影响的永久性弯曲或随时间的变形。

本发明的通道盒用于使燃料组件彼此热隔离和液压隔离。通道盒是半永久性金属盒，当更换核燃料组件以给反应堆补充燃料时，它们保留在燃料芯内。在一个实施例中，通道盒和十字形控制棒叶片的组合有助于显著减少所需控制元件的数量和成本(与PWR-传统棒控制簇组件和非通道堆芯相比)，以及有助于经由实质堆芯停堆裕度的操作安全性和反应堆反应性控制。

本文公开的小型模块化反应堆可以是自然循环PWR。主冷却剂回路冷却泵的缺乏决定了SMR堆芯设计/几何形状不同于传统的泵流式压水堆，以帮助这种自然循环，该自然循环依赖于温度差异作为诱导和产生主冷却剂流过反应堆容器并伴随蒸汽发电机的手段。在一些实施例中，本申请的小型模块化反应堆可以在约610华氏度的设计温度和2500磅/平方英寸(psia)(2250磅/平方英寸标称)的压力下操作，以引起主冷却剂的重力流动循环。核和热水力性能(用于优化堆芯性能和流动稳定性)要求设计能够控制径向流量分布。本小型模块化反应堆设计有利地适应BWR和PWR中发现的关键几何方面，并修改它们以增强堆芯的核和热性能以及中子学。

在一个方面，用于支撑核燃料组件的核燃料芯包括：纵向轴线；上芯板；下芯板；多个垂直伸长的通道盒，在上芯板和下芯板之间延伸，每个通道盒包括外壁和内壁，共同限定多个纵向延伸的内部单元，每个内部单元具有配置成用于保持不超过单个核燃料组件的横截面区域；圆柱形反射器周向环绕通道盒，上芯板和下芯板连接到反射器的相对端；其中每个通道盒内的相邻单元通过内壁彼此分开。

在另一方面，用于核反应堆的核燃料芯包括：纵向轴线；上芯板；下芯板；多个垂直伸长的棱柱形通道盒，在上芯板和下芯板之间延伸，每个通道盒包括多个外壁和内壁，共同限定多个纵向延伸的内部单元，每个内部单元包含单个核燃料组件，每个通道盒通过在通道盒的外壁之间形成的周边水隙与相邻的通道盒分开；多个十字形控制棒，从上芯板上方可滑动地插入穿过周边水隙，以在通道盒之间垂直移动；圆柱形反射器周向环绕通道盒，上芯板和下芯板与反射器的相对端接合；其中每个通道盒内的燃料组件通过内壁彼此分开。

在另一方面，用于核反应堆的核燃料芯包括：垂直伸长的反应堆容器，其限定内部空腔和纵向轴线；上内部单元设置在内部空腔中，上内部单元包括：顶部支撑板，与顶部支撑板垂直间隔开的上芯板，以及在它们之间间隔开的中间支撑板；多个流管，在中间支撑板和上芯板之间延伸；多个联接杆通过中间支撑板将顶部支撑板连接到上芯板，以形成可自支撑的组件，作为单个单元可拆卸地插入反应堆容器中；设置在内部空腔中的下内部单元包括限定燃料芯的多个燃料组件，下内部单元还包括：多个垂直伸长的通道盒，其在上内部单元的上部芯板和下部芯板之间延伸，每个通道盒包括多个外壁和多个内壁，共同限定多个纵向延伸的内部单元，每个内部单元包含单个核燃料组件；圆柱形反射器周向环绕通道盒，上芯板和下芯板设置在反射器的相对两端；其中每个通道盒与上内部单元中的相应流管垂直对齐，以在它们之间形成流动路径。在各种实施例中，每个通道盒内的燃料组件通过内壁彼此分开，每个通道盒通过在通道盒的外壁之间形成的周边水隙与相邻的通道盒分开，并且多个十字形控制棒可滑动地插入周边水隙中以在其中垂直移动，以控制反应堆中的反应性。

应当理解，本文所述的本发明的各个方面和特征可以以多种不同的方式和组合进行组合。此外，根据下文提供的详细描述，本发明的其他应用领域将变得显而易见。应当理解，详细描述和具体实施例虽然表明了本发明的优选实施方案，但仅用于说明目的，并不意图限制本发明的范围。

附图说明

将参照以下附图描述示例性实施例的特征，其中相似的元件被类似地标记，并且其中：

图1是根据本公开的实施例的包括燃料芯的核反应堆压力容器的立体图。

图2是其侧视图；

图3是表示反应堆容器内的反应堆的上内部单元和下内部单元(燃料芯)的纵向剖视图。

图4是燃料芯的反射器组件的顶部立体图，为清楚起见，燃料组件和其它内部构件被移除；

图5是其底部立体图；

图6是图5的特写图。

图7是图4的反射器组件的侧视图；

图8是其剖视图；

图9是其俯视图；

图10是其仰视图；

图11是类似于图4的燃料芯的顶部立体图，但显示燃料组件、通道盒、控制棒和其他附件；

图12是图11的特写图；

图13是图11的燃料芯的侧面剖视图；

图14是图13的特写图；

图15是从图7中截取的横向剖视图；

图16是燃料芯的下芯板的俯视图。

图17是图16的剖视图；

图18是其顶部立体图；

图19是底部立体图；

图20是反应堆容器的上内部单元的顶部立体图；

图21是其底部立体图；

图22是其顶部立体图，其中中间支撑板被移除以露出上内部单元的流管的敞开顶部；

图23是上内部单元的上芯板的俯视图，该上芯板设置在流管的底部；

图24是其侧面剖视图；

图25是表示组装好的上下内部单元(燃料芯)和每个内部部件的局部剖视立体图。

图26是下内部单元(燃料芯)的通道盒的立体图，其中燃料组件部分地插入盒的一个单元中；

图27是图26的特写图；

图28是一簇三个通道盒的立体图，示出了在水隙中部分地插入盒之间的十字形控制棒；

图29是从图28中截取的特写图，显示了控制棒结构的细节；

图30是一簇四个通道盒的顶部立体图，示出了控制棒部分地插入水隙中的盒的拐角部区域之间；

图31是其俯视图；

图32是配置成用于保持多个燃料组件(在该示例中为四个)方形横截面形状的单个通道盒的一个实施例的顶部立体图；

图33是其底部立体图；

图34是其侧视图；

图35是从图32中截取的顶视图；

图36是通道盒的分解图，示出了盒的一种结构的示例性实施例；

图37是从图33截取的仰视特写图；

图38是通道盒的俯视图；

图39是其仰视图；

图40是从图34中截取的通道盒的横向剖视图；

图41是从图38中截取的通道盒的纵向剖视图；

图42是可用于燃料芯的矩形横截面形状的第二通道盒的立体图；

图43是燃料芯的俯视图，示出了各种安装在通道盒的选定单元中的燃料组件和中子反射插件的组合；和

图44是上内部单元的中间支撑板的立体图。

所有附图都是示意图，不一定按比例绘制。在一个图中给出参考数字标记的部件可以被认为是与出现在其他图中而为了简洁没有用数字标记的部件是相同的部件，除非特别标记有不同的部件号并且在本文中描述。

具体实施方式

这里通过参考示例性(“实例”)实施例来说明和描述本公开的特征和益处。示例性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。因此，本公开明确地不应该限于这样的实施例，这些实施例示出了可以单独存在或者以其他特征组合存在的特征的一些可能的非限制性组合；所要求保护的发明的范围由所附权利要求限定。

在本文公开的实施方案的描述中，对方向或取向的任何提及仅仅是为了便于描述，而不是以任何方式限制本发明的范围。相对术语，如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等应该被解释为指代如所描述的或如所讨论的附图中所示的取向。这些相对术语仅是为了便于描述，并不要求设备以特定方向构造或操作。诸如“附接”、“耦合”、“附加”、“连接”、“互连”等术语是指其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接的关系，以及除非另有明确说明，否则可移动或刚性附件或关系。

图1-25描绘了小型模块化反应堆(SMR)形式的核压水反应堆(PWR)的非限制性实施方案，其包括反应堆压力容器100(以下简称“反应堆容器”)，其包括燃料芯，具有根据本发明的燃料组件支撑系统，表现出改进的中子学。

反应堆容器100包括纵向轴线LA、顶部头部101、底部头部102和在头部之间延伸的圆柱形壳体103。在一个实施例中，顶部头部101可以用螺栓固定到壳体103上以接近堆芯，或者在其他实施例中是焊接固定。反应堆容器100限定了纵向延伸的内部空腔104，其配置用于保持反应堆内部构件。反应堆内部构件包括上内部单元110和下内部单元112(参见例如，图3和25)。下内部单元112包含燃料组件124并限定核燃料芯120。上内部单元110提供一种结构，用于可移动地支撑和引导插入燃料芯中的控制棒150以控制反应和功率输出。下内部单元112/燃料芯120(在图3中示意性地示出)设置在反应堆容器的下部的空腔104内。反应堆容器100的空腔104的上部包含上内部单元110，其垂直地堆叠在下内部单元112的顶部，反应堆全部组装在下内部单元112。

特别参考图20-25，上内部单元110包括圆柱形的金属管状壳体或护罩107，其可拆卸地插入燃料芯120(下内部单元112)顶部的反应堆容器空腔104内。护罩107与反应堆芯120流体连通，并与其紧密连接，以使主冷却剂从堆芯通过，直接进入形成立管的护罩。护罩107从壳体103的内表面向内间隔开并与其同心地对齐。这限定了壳体和护罩之间的环形溢流管区域108。护罩107可以由耐腐蚀金属形成，例如不锈钢或其他材料。

上内部单元110还包括(从顶部到底部)顶部支撑板135、中间支撑板139和以垂直间隔关系布置的上芯板125。前述板可以由合适的金属形成，例如钢或其他金属。护罩107内的顶部支撑板135和中间支撑板139之间的空间限定了上部流动室165。多个矩形棱柱形金属流管166在中间支撑板139和上芯板125之间垂直延伸。流管可以具有直线横截面形状，并且可以包括方管166a和矩形管166b的横截面组合，当安装在反应堆容器100中时，其与互补配置的通道盒130轴向对齐，如本文进一步描述的。流管166具有敞开的顶部和底部，并且与设置在下方的燃料芯120中的每个燃料组件124流体连通，用于接收来自通道盒的循环的主冷却剂。

特别参考图15-19所示，上芯板125包括开口金属网格或格栅结构，其限定多个直线单元或流动开口127，每个直线单元或流动开口127配置成与设置在燃料芯120中的单个通道盒130流体连通，如本文进一步描述的。当插入反应堆容器100中时，上芯板125可以邻接地接合多个通道盒130的顶部以形成相对紧密的流体连接。在一个实施例中，如图所示，流动开口127可包括方形开口127a和矩形开口127b的组合，方形开口127a用于与具有方形横截面的通道盒130配合，矩形开口127b用于与具有矩形横截面的通道盒配合。流动开口127布置成间隔开的线性水平排(如图所示)，其是格栅主体结构的分开的横向延伸部分。上芯板125可以包括多边形周边部分，该多边形周边部分具有多个阶梯状构造，该多个阶梯状构造被布置成接合圆柱形反射器121的互补配置的多个阶梯状内表面200(参见例如，图4)，以可操作地将上芯板键合及锁定在上芯板相对于圆柱形反射器的旋转位置。上芯板125还包括用于插入联接杆134的联接杆开口142，联接杆134将上内部单元110保持在一起，如本文进一步所述。

形成在上芯板125中的多个十字形控制棒开口171可滑动地接收控制棒150的互补配置的十字形叶片部分(参见例如，图30)。控制棒开口171布置成覆盖上芯板125的整个范围的宽阵列。如图所示，每个控制棒开口171可以设置成靠近形成在正方形和/或矩形单元127之间的相邻拐角区域。这允许控制棒插入在相邻通道盒之间形成的周边水隙157中的燃料芯120中的通道盒130之间，而不是插入燃料组件内。与使用插入燃料组件内的引导管中的杆群控制组件(RCCA)的由大型(例如，8”×8”)传统PWR燃料组件组成的PWR堆芯不同，当前SMR燃料芯120中的反应性是通过形状为十字形的控制叶片来调节，控制叶片位于燃料组件的外部，并从堆芯的顶部插入。这有利地显著减少实现足够的反应性控制和停堆裕度所需的控制棒驱动机构(CRDM)的数量。另外，在通道盒130组件外部插入控制叶片允许从反应堆压力容器顶部的无阻碍路径，用于将堆芯内仪器插入监测堆芯功率分配所需的燃料组件124(例如，通道盒内部)内。因此避免了来自堆芯中相邻部件的可能阻碍控制棒150完全插入的干扰。这进一步有利地消除了在反应堆压力容器底部处穿透(例如用于控制棒驱动和堆芯内仪器)的需要。

中间支撑板139(在图44中最佳示出)类似地是金属网格或格栅结构，其包括多个直线形状的流动开口167，将流管166设置成与上部流动室165流体连通。因此，流管166各自与中间支撑板139中的相应流动开口和上部芯板125中的相应流动开口127轴向对齐(参见例如，图23-24)，其还使每个流管与燃料芯120流体连通，如本文进一步所述。散布在流动开口166之间的是多个十字形开口170，其具有与上芯板125中的十字形开口171相似的构造并且用于相同的目的。

多个金属控制棒引导管172在顶部支撑板135和中间支撑板139之间延伸。每个管172与穿过顶部支撑板135形成的多个圆孔173中的一个和中间支撑板139中的十字形控制棒开口170中的一个同轴对齐。值得注意的是，控制棒引导管172的直径可以大于顶部支撑板135中的孔173的直径，以限定间隔件，当上内部组件被联接杆134挤压时，间隔件使得顶部支撑板135保持与中间支撑板139间隔开。

因此，在一个实施例中，反应堆的上内部单元110可以通过多个垂直延伸的联接杆134保持在一起，联接杆134通过诸如螺母174的紧固件固定到顶部支撑板135和上芯板125中的每一个上。中间支撑板139中的联接杆孔175允许联接杆134完全穿过该板而不接合。当组装上内部单元110时，拉紧联接杆134，其挤压控制棒引导管172、中间支撑板139和顶部支撑板135与上部芯板125之间的流管166，形成自支撑组件或结构，该结构可以作为单个单元被输送和插入反应堆容器100的空腔104或从反应堆容器100的空腔104中取出。值得注意的是，在护罩107内的中间支撑板139和上芯板125之间形成的空间在上内部单元110中提供了隔室或区域，用于选择性地抽出十字形控制棒150以控制核反应和功率产生。控制棒150可在流动管166之间的该隔室中上下垂直移动。

在操作中，本领域中称为“主冷却剂”的堆芯冷却水在主冷却剂入口喷嘴105和主冷却剂出口喷嘴106之间循环通过反应堆容器100、上内部单元110和燃料芯120(下内部单元112)。在一个实施例中，入口和出口喷嘴105,106可以组合在单个共同的主冷却剂流体联接器109中，该联接器109直接连接到反应堆容器100的壳体103，如图所示。在一种结构中，组合的入口-出口流动喷嘴105/106可以由两个同心的中空锻件形成，这两个中空锻件限定外部入口喷嘴105和内部出口喷嘴106。因此，在这种布置中，入口喷嘴105嵌套在出口喷嘴106内。出口喷嘴106的一端焊接到反应堆护罩107(反应堆容器壳体103的内部)，另一端配置成焊接到蒸汽发生器容器的入口喷嘴，接收来自反应堆容器100的主冷却剂以产生用于朗肯发电循环的蒸汽(未示出)。这种蒸汽发生器例如在共同拥有的美国专利9,892,806中示出，该专利通过引用结合在此。入口喷嘴105的一端焊接到反应堆容器壳体103，另一端配置成用于焊接到蒸汽发生容器的出口喷嘴。入口喷嘴105与环形溢流管区域108直接流体连通。关于主冷却剂流动路径，来自蒸汽发生器的处于冷却状态的主冷却剂通过入口喷嘴105进入反应堆容器100，并向下流过环形溢流管区域到达反应堆容器的底部。在一个实施例中，流体进入反应堆堆芯120并由燃料组件124加热，使得主冷却剂通过自然循环上升到上内部单元110的护罩107中。加热的主冷却剂通过流管166上升并收集在上部流动室165中。主冷却剂通过护罩107中的侧向开口168离开上部流动室165(参见例如，图25)并进入出口喷嘴106，冷却剂从出口喷嘴106流回蒸汽发生器。

上述反应堆容器，喷嘴和上内部单元110的部件可以由优选的耐腐蚀金属形成，在一个非限制性实施例中，例如不锈钢。然而，可以使用其他合适的金属材料，但不限制本发明。

现在将进一步描述限定燃料芯120的反应堆的下内部单元112。参见图4-19，燃料芯包括多个垂直延伸的燃料组件124，每个燃料组件124包括多个中空燃料棒160，每个中空燃料棒160包含核燃料球，例如铀，其产生热量以加热反应堆容器100中的主冷却剂。在一个实施例中，燃料组件124可以具有方形横截面形状，并且包括顶部流动喷嘴结构161，顶部流动喷嘴结构161包括用于装配的提升构件162，以将燃料组件移动并放置在堆芯中。

垂直伸长的金属圆柱形反射器121围绕燃料组件124的堆芯，这有助于保护反应堆压力容器100免受由快速光谱中子(>1MeV)引起的脆化，同时另外将热中子反射回堆芯。反射器121具有环形主体(横截面为环形)，该环形主体限定内部空间123，内部空间123配置成在其中接收多个燃料组件124。反射器121可以具有与上护罩107的直径基本相同的直径，护罩107可以与反射器接合并由反射器支撑。在一个实施例中，反射器121可以包括多个垂直堆叠的环形段122，以便于反射器在反应堆容器100的下部内的组装。反射器段122紧密地邻接在一起以形成整体的圆柱形壁。在一个实施例中，可以提供从最上面的反射器段122垂直延伸到最下面的段的连接杆176，以将结构连接在一起并使每个段旋转地适当地对准相邻的段。连接杆176允许反射器段122之间的一定程度的热膨胀。可以提供多个垂直延伸的冷却导管139，其从顶部到底部完全穿过每个段122整体形成，用于冷却圆柱形反射器121。因此，主冷却剂可以垂直地循环通过每个段中的同心对齐的导管以进行冷却。连接杆176确保冷却导管139适当地对准其他反射器段122中的相邻冷却导管。在其他可能的实施例中，需要注意的是，反射器可以包括单个整体环形圆柱形结构或主体。反射器121可以由合适的金属制成，其优选地可以是耐腐蚀的，例如不锈钢等。

如图4所示，反射器121可以被机械加工、铸造或以其他方式制成，以形成多边形的多阶梯状内壁表面200，内壁表面200配置成在附接到反射器时接合上芯板125和下芯板126的互补配置的键合结构。其相对于反射器旋转地将芯板125,126锁定就位，如本文进一步描述的。上面提到的连接杆176确保每个反射器段122的阶梯面或表面在垂直叠层中的相邻段中彼此适当地对准。

燃料芯120还包括下芯板126和由下芯板支撑的多个垂直伸长的通道盒130。当上内部单元110放置在反应堆容器100中的燃料芯120的顶部时，通道盒130将在上芯板和下芯板125,126之间垂直延伸。通道盒130均提供流动导管或通道，用于使主冷却剂流过设置在盒中的燃料组件124。特别地，如图30和31所示，每个通道盒130通过周边水隙157与相邻通道盒横向/侧向分开，周边水隙157在反应堆的正常操作期间由主冷却剂填充。

现在一般地参考图26-42，通道盒130可各自限定垂直中心线CL，并且如图所示，在一个实施例中具有大致矩形的棱柱形或长方体构造。通道盒130是纵向和竖直伸长的结构，每个包括顶端136和底端137，以及在端部之间延伸的多个侧壁138。底端137可包括底部加强件137a，用于在插入堆芯中时邻接下芯板126以防止损坏通道盒130。通道盒130可以具有延伸圆柱形反射器121的整个高度的大部分的高度，并且在一些实施例中，如图所示，基本上是圆柱形反射器121的整个高度。在一个实施例中，每个通道盒130由多个垂直相交的外壁131和内壁132形成，这些外壁131和内壁132共同限定多个垂直纵向延伸的内部开放通道或单元133，其配置用于保持燃料组件124。每个单元133具有横截面区域，该横截面区域被配置用于接收和保持不多于单个或单独的核燃料组件124，在非限制性示出的实施例中核燃料组件124可以具有方形横截面形状。因此，外壁131可以彼此垂直地布置并且限定每个盒的周边。如图所示，内壁132也可以彼此垂直地设置并且以直角相交以形成十字形结构(在横向剖视图中)。

在一个实施例中，所提供的通道盒130的阵列可以包括盒的组合，盒具有正方形或矩形横截面的形状，用于放置在燃料芯120的不同区域中。方形通道盒(参见例如图32-41)具有四个带有十字形内壁132的单元133，并且可以包括位于燃料芯的外围或外侧区域的内侧和部分两者中的多个盒的大部分。矩形通道盒(参见例如图42)具有两个单元133，单元133具有单个直的内壁132，并且可以选择性地定位在燃料芯的某些外侧区域中，以有利地使可以装入堆芯中的燃料组件124的数量最大化。

在一个示例性结构中，通道盒130的外壁131和内壁132可以由纵向结构金属板的组合形成，所述纵向结构金属板沿着它们的邻接纵向边缘140组装和焊接在一起，以形成在图中描绘的整体焊接结构，其具有相当大的强度和刚度，能够抵抗垂直于盒的垂直中心线的弯曲。图36是方形通道盒130的一个代表性组件中的板的分解图。在该实施例中，方形通道盒130可以由四个单层厚度的L形外壁板通过沿其配合纵向边缘140的纵向延伸焊缝141焊接在一起形成外壁131，从而形成通道盒的周边。内壁132可以由两个L形内壁板形成，这两个内壁板在其拐角处背靠背放置，可以焊接在一起以形成具有垂直相交壁的十字形结构。在一种结构中，内壁板的自由纵向边缘可各自焊接到两个外壁板的邻接配合纵向边缘140的交叉处。因此，内壁132的内壁板垂直地以直角与外壁131相交。

需要注意的是，由L形内壁板形成的内壁132为每个通道盒130形成十字形内部侧向支撑件(在横截面中)。这在结构上加强了通道盒130，其形成坚固的结构，该结构抵抗辐射引起的弯曲力，该弯曲力作用在横向于通道盒的垂直中心线CL(和燃料芯120的纵向轴线)的平面中。这是BWR反应堆中使用的燃料组件盒结构的常见问题，其具有完全开放的中心区域，缺少这种内壁或支撑件，并且因此不能有效地抵抗辐射弯曲，这不利地阻止控制棒在燃料芯中随着时间的正确和完全插入。本文公开的结构增强的通道盒130代表了对这种无支撑的现有通道盒燃料组件支撑结构的改进。

此外，值得注意的是，包含在一个通道盒130内的四个燃料组件的紧密堆叠性质与当前运行的沸水反应堆(BWR)相反(其具有由其自己的通道盒围绕的每个单独的组件)，对于在本发明的小型模块化反应堆(即具有相对低的入口温度的自然循环主冷却剂)中发现的条件，通过降低慢化剂与燃料比提供增加的操作安全性。

通道盒的上述结构和内部单元133的布置通过消除包含在单元中的燃料组件124之间的水隙而有益于核反应堆的中子学。每个内部单元与至少一个其他单元共享共同内壁132，并且通过共同内壁的单个厚度与其分离。在一个实施例中，在单元133之间没有形成开放间隙或双壁。

在一个实施例中，通道盒130可以由锆基金属合金构成。然而，可以使用其他合适的金属材料。

下芯板126联接到圆柱形反射器121的底部。现在参考图15-19，下芯板126包括顶部151和底部152，顶部151和底部152限定向上和向下的表面。下芯板126通常包括基本上平面的圆形金属主体，该主体限定了包括多个向上开口的插座143的阵列，每个插座互补地配置到一个通道盒130的相应底端137并与其接合以便支撑。插座143包括方形插座和矩形插座的组合，方形插座用于接收和接合方形通道盒130，矩形插座用于接收和接合矩形通道盒。因此，每个插座具有面向上的支撑表面，该支撑表面具有与通道盒130的底端表面互补的构造以容纳在其中。因此，每个插座包括十字形支撑表面148(用于方形通道盒)，其接合通道盒的互补配置的十字形底端表面部分，或线性支撑表面149(用于矩形通道盒)，其接合通道盒的线性底端表面部分。支撑表面148和149由在下芯板126的结构体形成的每个插座143内的凹入的垂直分隔壁153的顶部限定。当通道盒130的底端137与插座和支撑表面接合时，分隔壁153分隔主冷却剂的向上通过每个通道盒130的开口单元133的流动，以避免或最小化到相邻单元的任何交叉流动。因此，分隔壁153在每个插座143内限定多个子单元177(如图所示，四个在方形插座内，两个在矩形插座内)。

下芯板126包括多个流孔146，流孔146与形成在反应堆容器100中的下芯板下方的底部流动室178流体连通(参见例如图3)。下芯板126的插座143中的每个子单元177具有相关的流孔146，其与其各自的通道盒130和其中的燃料组件124流体连通。因此，方形插座143可以具有四个孔146，矩形插座可以具有两个孔。流孔126具有选定的直径，以产生通过每个通道盒130和燃料组件124的所需的主冷却剂流速。

下芯板126还包括多个直立的引导壁145，如图所示，以垂直交叉的阵列排列。当通道盒最初插入燃料芯120中时，引导壁145可滑动地接合并引导通道盒130的底端137进入下芯板126的向上开口的插座143中。另外，引导壁145还用于帮助将流体从下芯板126中的插座143隔离并分离到通道盒130中，以使可能的交叉流动最小化。

在一些实施例中，下芯板126还可包括从下芯板的顶表面向上突出的多边形和凸起的环形防旋转唇缘144。如图所示，防旋转唇缘144围绕下芯板的周边部分周向延伸。防旋转唇缘144可以具有多个阶梯状构造，其以与上芯板125类似的方式匹配并接合圆柱形反射器121的互补配置的多个阶梯状内表面124，以可操作地相对于圆柱形反射器在旋转位置键合及锁定下芯板126。当下芯板126与圆柱形反射器121接合时，防旋转唇缘144插入圆柱形反射器的底端内，并且下芯板的圆形扁平体的周边部分在防旋转唇缘外围部分接合圆柱形反射器的朝下的底端表面(参见例如，图8)。因此，在突出的防旋转唇缘144和下芯板126的邻接的面向上的平坦顶表面之间形成阶梯状肩部结构。需要注意的是，引导壁145可以具有比防旋转唇缘144更大的高度，并且布置成避免与反射器121接合。

在一些实施例中，下芯板126的平坦周边部分在凸起的防旋转唇缘144外侧可包括多个流孔147(参见例如，图16和17)。流孔147基本上与圆柱形反射器中的冷却导管139垂直和轴向向上排列。这允许反应堆容器中的主冷却剂循环并流过下芯板和反射器段122以冷却反射器121。流孔147与下部流动室178流体连通(参见例如，图3)。

在一个实施例中，金属上芯板125和下芯板126可各自由合适的耐腐蚀金属如不锈钢形成。可以使用其他金属。

如图3-8和10所示，下芯板126和圆柱形反射器121通过开放空间框架型堆芯支撑构件180支撑在反应堆容器100中，该支撑构件180邻接地接合圆柱形反射器和下芯板的底表面。支撑构件180可包括垂直延伸的中心毂181和从其径向延伸并且相对于彼此成角度地间隔开的多个臂182。每个臂包括弧形凸起的底表面183，其配置成接合接收燃料芯的反应堆容器100的底部头部102内的弧形凹面。下芯板126可包含多边形形状的凹口184，其接合并定位支撑构件180的每个臂182(也参见图17-19)。芯支撑构件180将堆芯升高到反应堆容器100的底部上方，并在下芯板126下方限定底部流动室178。从反应堆容器的环形溢流管108向下行进的液流进入流动室178并反转方向然后向上流过下芯板的流孔146进入通道盒130和燃料组件124。反应堆容器100的底部头部102可包括与底部流动室178流体连通的排水喷嘴179，用于将主冷却剂排出反应堆容器。在一些非限制性实施例中，支撑构件180可以焊接到圆柱形反射器121的下芯板和/或最下段122。支撑构件180可以优选地由合适的强耐腐蚀金属制成，例如作为一个非限制性示例的不锈钢。

图28-30更详细地示出了十字形控制棒组件。每个控制棒150包括圆柱形轴155，其具有顶端和多个垂直相交的叶片154，顶端配置成接合安装在燃料芯120上方的控制棒驱动机构(未示出)，多个垂直相交的叶片154连接到轴的底端。如图所示，叶片154布置成在横截面上形成十字形。叶片可以包含中子吸收材料，例如但不限于B4C(碳化硼)粉末、铪板，它们的组合或其他材料。叶片可以由诸如钢或锆合金的金属板形成，以形成十字形的结构。为了便于控制棒150平滑滑动插入在通道盒130之间形成的周边水隙157中，例如在所示的堆芯中相邻通道盒之间的拐角区域中(参见例如，图30-31)所示，叶片154可选地包括一个或多个突出的滑动轴承156，其可以是凸起的突出部或凸片、辊型轴承、滚珠或叶片上的其他元件，其用作轴承以当叶片在燃料芯120中向上/向下移动时可滑动地接合通道盒130的侧壁。

在一些实施例中，燃料芯120的一些外围通道盒130可具有可移除地插入的反射器插入件158，其设置在一个或多个单元133中，如图43所示。插入件158可以是组件，其可以包括包含中子反射材料的实心不锈钢销或不锈钢管，其用于许多目的，包括但不限于，反应堆芯的改进的中子经济性和特定的同位素产生。这些反射器组件有助于轴向地改变反射器材料，以允许在物理特性中具有大轴向梯度的反应堆中的功率分布的优化，例如在本发明的小型模块化反应堆中。

将简要描述用于组装核反应堆的示例性方法。可以首先将芯支撑构件180、下芯板126和最下面的反射器段122插入反应堆容器100中。下芯板126通过从下芯板的顶表面向上突出的凸起的环形防旋转唇缘144旋转地键合到反射器段122。支撑构件180接合反应堆容器的底部头部102。接下来，可以将附加的反射器段122一个接一个地堆叠在已经布置的段122上，以构建段的连续路线，直到形成完整的反射器121。接下来，通道盒130可以下降到反应堆容器100中，以使它们的底端与下芯板126中的相应插座143邻接地接合。单个燃料组件124下降并插入每个通道盒130中。接下来，控制棒150可以在本文描述和示出的位置处的周边水隙157中的通道盒130之间插入堆芯中。这基本上完成了在反应堆容器中的下内部单元112的安装。

接下来，完全预组装的自支撑的上内部构件110可以定位在反应堆容器上方并且下降到反应堆容器中，堆叠在圆柱形反射器121的顶部上。在该过程中，具体地，上内部单元的上芯板125分别经由反射器段和上芯板的配合的多个阶梯状表面200,190接合并旋转地键合到最上面的反射器段122。这确保了分别在上堆芯和中间支撑板125,139中的十字形控制棒开口171,170的正确对准。因此，当上内部单元和下内部单元110和112(即燃料芯120)在反应堆容器100中堆叠在一起时，堆芯的每个通道盒130将与上内部单元的相应流管166垂直对齐，从而产生从反应堆容器底端处的底部流动室178到顶部附近的出口喷嘴106的统一的主冷却剂流动路径的阵列。可以完成其他准备，并且最终可以关闭反应堆容器100的顶部头部101。

当需要添加堆芯时，打开反应堆容器并首先移除上内部单元110。控制棒150保持在燃料芯120内的适当位置，以控制添加燃料停机期间的反应性。根据需要移除并更换所需的燃料组件124。

尽管前面的描述和附图代表了本发明的示例性实施例，但是应该理解，在不脱离所附权利要求的等同物的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种添加、修改和替换。特别地，本领域技术人员将清楚，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例、尺寸以及与其他元件、材料和部件一起实施。此外，方法/过程有许多变化。本领域技术人员将进一步理解，在不脱离本发明原理的前提下。本发明可以对结构、布置、比例、尺寸、材料和组件进行许多修改使用，并且在本发明的实践中使用，其特别适合于特定环境和操作。因此，当前公开的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，并且不限于前述描述或实施例。相反，所附权利要求应当被广义地解释，以包括本发明的其他变体和实施例，本领域技术人员可以在不脱离本发明的等同物的范围的情况下做出这些变型和实施例。

Claims (26)

1.一种用于支撑核燃料组件的核燃料芯，所述燃料芯包括：

纵向轴线；

上芯板；

下芯板；

多个垂直伸长的通道盒，其在所述上芯板和所述下芯板之间延伸，每个通道盒包括外壁和内壁，所述外壁和内壁共同限定多个纵向延伸的内部单元，每个内部单元具有配置成用于保持不超过一个核燃料组件的横截面区域；

圆柱形反射器，其周向环绕所述通道盒，所述上芯板和所述下芯板连接到所述反射器的相对端；

其中每个通道盒内的相邻单元通过所述内壁彼此分开。

2.根据权利要求1所述的燃料芯，其中所述上芯板是开口格栅结构，其接合所述通道盒的上部并限定多个直线开口单元，每个开口单元与所述通道盒的一个单元轴向对齐。

3.根据权利要求1或2所述的燃料芯，其中所述上芯板具有多边形周边，所述周边带有多个阶梯状构造，所述多个阶梯状构造与所述圆柱形反射器的互补配置的多个阶梯状内表面接合，以可操作地相对于所述圆柱形反射器在旋转位置键合及锁定所述上芯板。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃料芯，其中所述下芯板包括基本上平坦的圆形主体，所述圆形主体限定包括多个向上开口的插座的阵列，每个插座互补地配置到所述通道盒中的一个的相应底端并与其接合用于支撑。

5.根据权利要求4所述的燃料芯，其中所述下芯板还包括以垂直交叉的阵列布置的多个直立引导壁，当所述通道盒插入所述燃料芯时，所述引导壁能够操作以将所述通道盒的底端引导到所述下芯板的向上开口的插座中。

6.根据权利要求3所述的燃料芯，还包括多边形凸起的环形防旋转唇缘，所述防旋转唇缘从所述下芯板的顶表面向上突出并且围绕所述下芯板的周边部分周向延伸，所述防旋转唇缘具有多个阶梯状构造，其匹配并接合所述圆柱形反射器的互补配置的多个阶梯状内表面，以能够操作地将所述下芯板相对于所述圆柱形反射器键合并锁定在旋转位置。

7.根据权利要求6所述的燃料芯，其中所述防旋转唇部插入所述圆柱形反射器的底端内，并且所述下芯板的圆形主体的周边部分在所述防旋转唇部外侧接合所述圆柱形反射器的朝下的底端表面。

8.根据权利要求4所述的燃料芯，其中至少一些所述插座包括十字形支撑表面，所述十字形支撑表面与每个通道盒的互补配置的十字形底端表面接合。

9.根据权利要求1所述的燃料芯，还包括底部开放空间框架堆芯支撑构件，其邻接地接合所述圆柱形反射器和所述下芯板的底表面，以支撑所述反射器和所述下芯板。

10.根据权利要求9所述的燃料芯，其中所述芯支撑构件包括垂直延伸的中心毂和从其径向延伸并且相对于彼此成角度地间隔开的多个臂。

11.根据权利要求10所述的燃料芯，其中所述臂各自包括弧形凸起的底表面，所述底表面配置成接合容纳所述燃料芯的反应堆容器内的弧形凹底部头部表面。

12.根据权利要求1所述的燃料芯，其中所述圆柱形反射器由多个垂直堆叠的金属环形段形成，所述金属环形段邻接在一起以形成整体结构。

13.根据权利要求1或12所述的燃料芯，其中所述圆柱形反射器包括从所述反射器的顶部延伸到底部的多个垂直冷却导管，用于冷却所述反射器。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的燃料芯，其中所述通道盒具有直线的横截面形状，并且所述内壁具有与所述外壁垂直相交的边缘。

15.根据权利要求1-14所述的燃料芯，其中所述通道盒包括矩形通道盒和方形通道盒的组合，所述矩形通道盒具有围绕所述燃料芯的外部部分设置的矩形横截面形状，以及所述方形通道盒具有方形横截面形状。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的燃料芯，其中所述方形通道盒的外壁由沿其纵向边缘焊接在一起的多个L形结构构件形成，以形成方形横截面形状，并且所述内壁由一对L形结构构件形成，所述L形结构构件具有邻接的配合角和焊接到所述外壁的纵向边缘，形成所述内壁的十字形横截面形状。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的燃料芯，还包括垂直堆叠在所述圆柱形反射器顶部上的上内部单元，所述上内部单元包括多个垂直取向的流管，所述流管与所述通道盒的单元轴向对齐并流体连通。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的燃料芯，其中每个通道盒的外壁通过周边水隙与相邻的通道盒横向间隔开。

19.根据权利要求18所述的燃料芯，还包括多个十字形控制棒，所述十字形控制棒设置在所述通道盒的相邻拐角区域之间的周边间隙中，所述控制棒能够选择性地通过所述上芯板中的十字形开口插入所述水隙中的所述燃料芯中。

20.一种用于核反应堆的核燃料芯，所述燃料芯包括：

纵向轴线；

上芯板；

下芯板；

在所述上芯板和所述下芯板之间延伸的多个垂直伸长的棱柱形通道盒，每个通道盒包括多个外壁和内壁，所述多个外壁和内壁共同限定多个纵向延伸的内部单元，每个内部单元包含单个核燃料组件，每个通道盒通过在通道盒的外壁之间形成的周边水隙与相邻的通道盒分开；

多个十字形控制棒，从所述上芯板上方可滑动地插入周边水隙，以便在所述通道盒之间垂直移动；

圆柱形反射器，周向环绕所述通道盒，所述上芯板、所述下芯板与所述反射器的相对端接合；

其中每个通道盒内的所述燃料组件通过所述内壁彼此分开。

21.根据权利要求20所述的燃料芯，其中，所述控制棒设置在相邻的通道盒之间的拐角区域的连接处。

22.根据权利要求20或21所述的燃料芯，其中，所述上芯板包括多个十字形开口，每个十字形开口能够滑动地容纳穿过其中的一个控制棒，以插入所述燃料芯中。

23.一种用于核反应堆的核燃料芯，所述燃料芯包括：

垂直伸长的反应堆容器，其限定内部空腔和纵向轴线；上内部单元设置在所述内部空腔中，所述上内部单元包括：

顶部支撑板，与所述顶部支撑板垂直间隔开的上芯板，以及在它们之间间隔开的中间支撑板；

多个流管，在所述中间支撑板和所述上芯板之间延伸；

多个联接杆，通过所述中间支撑板将所述顶部支撑板连接到所述上芯板，以形成作为单个单元可拆卸地插入所述反应堆容器中的自支撑的组件；

多个燃料组件，设置在所述内部空腔中的下内部单元包括限定燃料芯，所述下内部单元还包括：

多个垂直伸长的通道盒，其在所述上内部单元的上芯板和下芯板之间延伸，每个通道盒包括多个外壁和多个内壁，所述多个外壁和多个内壁共同限定多个纵向延伸的内部单元，每个内部单元包含单个核燃料组件；以及

圆柱形反射器，周向环绕所述通道盒，所述上芯板和所述下芯板设置在所述反射器的相对两端；

其中每个通道盒与所述上内部单元中的相应流管垂直对齐，以在它们之间形成流动路径。

24.根据权利要求23所述的燃料芯，其中每个通道盒内的所述燃料组件通过所述内壁彼此分开，其中每个通道盒通过在所述通道盒的外壁之间形成的周边水隙与相邻的通道盒分开；并且还包括多个十字形控制棒，所述十字形控制棒可滑动地插入所述周边水隙中以在其中垂直移动，以控制所述反应堆中的反应性。

25.根据权利要求23或24所述的燃料芯，还包括设置在所述内部空腔中的圆柱形护罩，所述圆柱形护罩堆叠在所述圆柱形反射器的顶部上，所述护罩围绕所述上内部单元部件。

26.根据权利要求23-25中任一项所述的燃料芯，其中上部流动室形成在所述护罩中的顶部和中间支撑板之间，并且控制棒隔室形成在所述护罩中的所述中间支撑板和上芯板之间，所述控制棒隔室配置成接收从所述燃料芯抽出的所述控制棒中的一部分。