CN1127736C - 具有对角线燃料卡紧弹簧的核燃料组合件栅格 - Google Patents

Abstract

一种支承栅格，它沿侧向保持细长燃料元件在燃料组合件内的相对位置，用于核反应堆堆芯中。栅格作成网格的形状，网格具有确定许多隔室的相交网格构件，大多数隔室分别支承着核燃料元件。其余隔室支承着核控制杆导管和测量套管。支承核燃料元件的隔室在两个相邻壁上设有对角线位置的弹簧。弹簧对着从对面隔室壁上突出的波纹支承了燃料元件。每个燃料元件隔室中的相邻对角线弹簧以相反的方向倾斜。弹簧由隔室壁中的两条平行狭缝形成，狭缝终止于平行于相邻壁交线的线。弹簧狭缝按照离开弹簧的方向继续沿着上述平行线延伸来增加弹簧的弯曲性。由正交构件把网格作成“鸡蛋框”模式，正交构件把对着的垂直狭缝配合在相邻的网格片中。垂直狭缝被延伸到大于网格片宽度的一半，来进一步提高卡紧弹簧的弯曲性。

Description

具有对角线燃料卡紧弹簧的核燃料组合件栅格

发明领域

本发明一般性地涉及了核反应堆燃料元件的支承栅格，尤其是涉及了包括对角线卡紧弹簧的支承栅格。

背景信息

核反应堆的燃料组合件通常由细长的燃料元件或燃料棒的阵列形成，由一个骨架支承结构来保持燃料元件沿侧向隔开，骨架支承结构包括许多沿纵向隔开的支承栅格、一个下端接头和一个上端接头。燃料组合件骨架也包括导管和测量套管，它们是细长的管状件，对称地散布在各燃料元件位置之中并与燃料元件一起延伸。导管和测量套管固定连接在支承栅格上，以提供在其它骨架构件之间的结构连接。每个支承栅格确定了燃料棒的支承室或隔室的阵列，并具有一个周边，周边的形状是反应堆堆芯设计所要求的许多供选择几何形状之一。商用压力水反应堆的核燃料栅格采用了方形燃料组合件，它一般每边具有14到17个隔室。也可采用其它多边形阵列的设计，如在1994年4月12日授予的美国专利5,303,276中说明的六边形阵列。

一个典型的燃料元件支承栅格设计包括了一般为多角形的周边，周边包围着一个内部网格阵列。许多均匀隔开的、开缝的、相互连结的网格组成构件或网格片确定了在周边内的许多燃料元件室或隔室，在沿着开缝位置的交线端点上，采用小的点焊把这些网格片焊接到周边上，以及片与片之间的相互连接。

在每个内部的网格组成构件上，沿着与阵列中其它网格组成构件的交线方向，在其一半宽度上开一条狭缝。把一个构件中的狭缝配合到交叉构件中对着的狭缝中，使得许多构件在交线上相互装配和连结，形成一个“鸡蛋框”形式。鸡蛋框设计提供了良好的强度重量比，而对于在核反应堆工作中通过栅格的冷却液流没有严重的阻碍。网格组成构件通常包括突出的弹簧和波纹，用于把燃料元件配合和支承在某些栅格隔室内。在冷却液流动力作用下的反应堆工作期间，在地震扰动期间，或在外界冲击情形下，弹簧提供了对燃料棒运动的轴向、侧向和转动约束。在把燃料组合件插入和退出反应堆时，这些隔开的栅格还起到侧向引导作用。

当前反应堆的工作局限性之一是由于燃料元件表面上开始膜态沸腾所造成。这个现象通常称为偏离泡核沸腾(DNB)，并受燃料元件的间隔、系统压力、热流、冷却液热焓和冷却液速度的影响。当经受DNB时，由于在燃料元件部分表面上形成气体薄膜，在这些条件下造成热传导降低，由此燃料元件的温度迅速升高，如果它继续下去最终会造成燃料元件的失效。因此，为了保持一个安全系数，必须在热流的量级稍低于发生DNB的量级下进行核反应堆工作。这个裕量通常称为“热裕量”。

核反应堆通常在堆芯中有一些区域，它们具有比其它区域更高的中子流和功率密度。有许多因素可引起中子流和功率密度的变化。其中一个因素是在堆芯中存在控制杆的通道。当退出控制杆时，这些通道被充以冷却液，它是一种减速剂，它提高了局部的减速能力，从而增加了在邻接燃料中产生的功率。在这些称为热通道的高功率密度区中，热焓上升速率高于其它通道。这些热通道为反应堆设立了最大限度的工作条件，并限制了可产生的功率值，因为在这些通道中首先达到临界的热裕量。

先前的技术提供了作为燃料支承栅格整体部分的冷却液流的转向叶片，试图减少堆芯中功率密度的变化并由此来增加DNB性能。由于增加了燃料棒和叶片位置下游的冷却液之间的热传导，叶片改进了反应堆性能。在邻接热通道的区域，即与控制杆导管位置相邻的燃料元件位置中，叶片特别有用。

为了充分利用叶片，也希望改进其余的栅格构件，即改进网格片，包括弹簧、波纹和焊区，以降低在叶片上游产生的扰动。优化燃料栅格设计的其它目的包括使得栅格压降最小和使得栅格承载强度最大。提供力来保持燃料棒定位的弹簧通常是由突入燃料棒支承隔室内的网格组成构件上切开区所形成。在两类力之间进行权衡来设计所作用的弹簧力，一类是为了保持燃料元件定位所需轴向、侧向和转动约束而必须提供的力，另一类是在制造期间把燃料元件拧入组件中时，会划伤或损伤燃料元件表面的力。为了既能避免损伤燃料元件又能产生最大的约束力，希望弹簧与燃料棒的接触面积以及弹簧的弯曲度尽量大。达到最大接触面积的一个优选方法是提供一个对角线弹簧，它从燃料支承隔室壁之一的下区到同一壁上沿对角线对着的上区作延伸，如图2的先前技术设计中所示。图2表示了栅格的网格片110的单个壁部分，它具有对角线弹簧112。切开区114突入相邻的燃料元件支承隔室内并形成一个波纹，为相邻的燃料棒提供了点接触支承，从上述相邻隔室对面壁上，一个用相似方式成形的弹簧向内伸出，把燃料棒压在上述波纹上。通常一个燃料棒支承隔室至少在两个壁上设有弹簧，以及在对着的壁上设有波纹，以便把燃料棒定在中心位置上，并且环绕燃料棒表面提供最大的冷却液流动。先前技术也提供了如图2所示的切开区116，来减少弹簧周围的壁材质量，由此增加弹簧的弯曲性。

希望把混合叶片120放在支承燃料元件的栅格隔室上来提高热传导，但是已经发现，叶片增加了燃料支承隔室中的压降。它在邻接控制杆导管和测量套管位置的燃料支承隔室和没有混合叶片的导管和套管位置之间产生了压差。由此，在工作时流经邻接导管和套管位置的栅格隔室的冷却液，趋向于寻找最小阻力的路线，并从对角线弹簧112任一侧的窗口116中流出，通过导管和套管位置向上。结果是在最需要热传导的地方减少了热传导，以及降低了叶片的有效利用。

因此，希望有一种可改进DNB性能的改进栅格结构。本发明的目的是使得围绕栅格弹簧的泄漏路线为最小而同时保持弹簧的弯曲性，从而达到上述结果。本发明的另一个目的是改进对角线弹簧设计的弯曲性，而不降低栅格的抗挤压强度。

                     发明概述

本发明结构减少了在燃料支承隔室中通过液流的开口面积，同时保持栅格弹簧的弯曲性，由此克服了先前技术中栅格弹簧设计的某些缺陷。按照本发明，由网格壁中狭窄的、对角线的平行缝来形成弹簧。在一个优选实施例中，在各正交片的交点上把网格片中的垂直狭缝延伸到大于片宽的一半，来得到附加的弹簧弯曲性。此外，在一个对角线弹簧构形中，在形成弹簧的网格壁中的狭缝在其两个终端上作延伸，延伸沿着平行于相邻壁交线并离开弹簧的方向。由此提高了弹簧的弯曲性，而减少了用于通过液流的壁上开口面积。

如果结合表示和描述本发明所举实施例的附图来阅读以下说明，对于熟悉该技术的人员来说，本发明的这些和其它目的、特性和优点将变得很明显。

                     附图简述

尽管本技术说明以具体指出和明确提出本发明主题内容的权利要求来结束，但可以相信，从结合附图的以下描述中将会更好地了解本发明，其中：

图1是体现了本发明特性的栅格支承组件的顶视图；

图2是先前技术的核燃料组合件网格片的壁区的部分侧视图，它表示为与相交网格构件脱开的情形，以及

图3是包括本发明特性的核燃料组合件网格片的壁区的部分侧视图，它表示为与相交网格构件脱开的情形。

                   优选实施例描述

在一个典型核反应堆中，由于核裂变在反应堆容器的堆芯内产生热。利用热来产生蒸气，蒸气再驱动涡轮发动机来发电。在压力水的核反应堆中，把堆芯中的热传给冷却液减速剂，它通常是硼酸处理过的水，在压力下把它传送到蒸气发动机，以热传导的方式把冷却液与第二液体放在一起。第二液体被蒸发成蒸气，用于驱动涡轮发动机。

在堆芯中的核燃料通常被封装成圆柱形的细长棒，往往被称为燃料元件。燃料元件被保持成多角形阵列，在一个优选实施例中，燃料元件沿纵向延伸到约14英尺长。该阵列一般称为燃料组合件，并且以上、下喷嘴为边界保持在一定位置上，被各个燃料元件的支承栅格适当隔开，支承栅格沿着燃料组合件纵向长度方向固定在几个相隔开的位置上。

控制杆导管和测量套管散布在燃料组合件内的各个燃料元件之中，它们替代燃料元件的位置作对称布置，用于引导控制杆和作为堆芯内测量装置的输送管。控制杆依靠吸收否则要与核燃料起反应的堆芯内中子来用于控制裂变过程。控制杆可通过导管移入和移出堆芯来控制反应的程度。

在堆芯内的冷却液从燃料之下的区域流入，向上通过每个燃料组合件并从其喷嘴流出。冷却液是一种减速剂，它减慢中子的速度来提高裂变过程的效率。当从堆芯中取出控制杆时，相应的导管被充以冷却液减速剂，它提高了导管周围隔室中燃料的裂变反应。参考1994年4月12日授予的美国专利号5,303,276，名称为“燃料组合件，包括使得流过该燃料组合件的液体蒸气分量转向的转向叶片”，可以更详细地了解压力水核反应堆的工作。

图1是燃料组合件支承栅格10的顶视平面图，它引入了本发明的特性，并具有方形的周边12。但是，应该理解到，本发明的概念可用于采用不同周边形状的燃料元件支承栅格，如以上被参考的美国专利号5,303,276中所述的六边形燃料组合件。图1所示的栅格组件由网格片14的均匀隔开的平行阵列构成，它们与网格片16的相似的正交放置的、均匀隔开的平行阵列相交。网格阵列被焊接到形成栅格周边的周边片20上。在相应正交片相交线之间的网格片的壁，确定了通过燃料元件、导管和测量套管的隔室。

图1说明了一个17×17的隔室阵列，但应该理解到，在组合件中的燃料元件数目并不影响本发明原理的应用。形成图1所示正交构件14和16的网格片在设计上基本上完全相同。尽管网格片14和16基本上完全相同，但应该理解到，某些网格片16的设计将与其它网格片16不同，以及某些片14与其它片14不同，以便适应导管和测量套管的位置。图1中编号42表示了支承燃料元件的隔室，编号34表示了与导管和测量套管连接的隔室。如图3所示，极大多数容纳燃料元件的隔室壁上设有许多冲压出的突出区，它们由已知的工业中采用的适当模具来加工。上、下冲压区26沿一个方向凸出并形成波纹，它支承着燃料元件靠在从对面隔室壁突出的并列对角线弹簧上。在同一壁上位于中心的其余冲压区如同上述波纹一样，沿相反方向突入相邻的隔室中并形成一个对角线弹簧28，用于把燃料元件压在从对面壁突入该相邻隔室的波纹26上。

图3说明了网格片的一部分，它形成了单个隔室的壁，并且正好延伸通过这样的位置：在该位置上它相交于将与之连接的相应的、相邻的、正交网格片。按照本发明，如图3所示，由隔室壁中两个狭窄的平行切口构成的狭缝来形成对角线弹簧28，切口在基本上整个壁宽度的对角线上延伸。形成弹簧的狭缝终止在任一端上，使得在相邻缝端之间作出的虚线27平行于隔室壁的交线。这样，把沿着弹簧任意点上对冷却液流动仅有的阻碍限制在弹簧材料的厚度内。按这种方式构成的对角线弹簧使得与燃料元件的接触面积为最大，同时使得对冷却液流动的阻碍为最小。最好是，在与燃料元件接触的边29上，把弹簧削成倒角，以减少在燃料棒插入栅格时损伤燃料棒表面的可能性。为了提高弹簧的弯曲性和减轻它的冲击性，沿着平行于相邻壁交线并离开弹簧的方向，把形成弹簧的狭缝在每一端上作延伸，如编号31所示。

在形成燃料元件隔室42壁的某些部位上，混合叶片32从网格片上边伸出。按照本发明，以预定的模式布置混合叶片。

如图1所示，隔室34支承了通过控制杆和芯内测量装置的导管和测量套管。隔室34与燃料元件支承隔室42的区别在于：它们没有突入其内部的支承件，也没有从它们壁上伸出的混合叶片32。混合叶片产生了通过支承燃料元件隔室的压降，它再引起支承导管或测量套管的相邻隔室之间的压差。由于本发明减小了隔室之间的开口，使得该压差的影响降到最小。

由于减小了隔室壁中的开口，与图2所示的先前技术构形相比，本发明增加了支承弹簧的壁材质量，它增加了壁的刚度和改进了栅格的整体强度。但所增加的质量也加大了弹簧的刚度。因此，最好是进一步加大弹簧的弯曲性，来减少在装配时燃料元件被划伤的可能性。在传统的燃料组合件的网格结构中，如图2所示，片上设有狭缝118，在与沿正交方向延伸的片相遇的交线处，狭缝从片底延伸到其高度的上一半。在相交的片上设有相似的狭缝118，狭缝从其顶面延伸到片的下一半。然后在每条交线上把一条狭缝滑过另一条狭缝，在狭缝处把两片配合在一起，形成一个鸡蛋框模式，它连结了交线和确定了隔室。按照本发明，如图3所示，狭缝44延伸到大于片的一半，从而在其交线上把片焊接时，对弹簧增加了更大的弯曲性。

因此，本发明提供了一个改进燃料组合件，它包括的支承栅格弹簧设计在改进DNB性能的条件下优化了反应堆工作时的冷却液流动，降低了压降和改进了栅格的抗挤压强度。

Claims (7)

1.一种支承栅格(10)，用于把许多细长核燃料元件保持成平行隔开的阵列，栅格具有一个网格结构，网格结构确定了许多隔室(42)，上述隔室的构造可支承相关的燃料元件，隔室具有许多壁(14；16)，壁在角上相交并在支承位置上包围着相应的燃料元件，隔室还具有冷却液混合叶片(32)，在支承燃料元件的上述隔室中至少一个壁包括一个对角线弹簧(28)，从靠近壁一角的栅格下区附近点到靠近壁另一角的栅格上区附近点，弹簧在隔室中延伸，弹簧由隔室壁的部分切开区域形成，在壁中沿着弹簧对角线方向基本平行的两条狭缝把切口区域与壁的其余部分分开；其特征在于：在形成弹簧的隔室壁中，对角线狭缝的任一端终止在隔室壁中的狭缝(31)中，该狭缝沿着离开弹簧的方向基本上平行于相邻壁作延伸。

2.权利要求1的支承栅格，其中，隔室壁由网格片(14；16)相交形成，相交网格片之一具有一条从其上端边沿着交线延伸的狭缝(44)，另一个相交网格片具有一条从其下端边沿着交线延伸的狭缝(44)，其中，狭缝相互相交和配合成鸡蛋框构形，每条狭缝延伸到大于相应网格片高度的一半，用以减少弹簧对燃料元件的力。

3.权利要求2的支承栅格，其中，在交线上把网格片焊接在一起，使得它们相应的相邻边基本上对准。

4.权利要求2或3的支承栅格，其中，相交网格片的对接狭缝端相互隔开。

5.权利要求1的支承栅格，其中，沿着平行于隔室壁交线的垂线(27)，把支承栅格的弹簧连接在隔室壁上，由此，对沿弹簧任意点上的冷却液流动的阻碍被限制在弹簧材料的厚度上。

6.权利要求1的支承栅格，其中，对角线弹簧至少沿着一条边的一部分上有一个倒角(29)。

7.权利要求1的支承栅格，其中，形成弹簧的平行狭缝与隔室壁的交线成45度角。

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