CN1261975A - 具有液压平衡混合叶片的核燃料组合件 - Google Patents

Abstract

一个支承栅格,它沿侧向保持细长燃料元件在燃料组合件内的相对位置,用于核反应堆的堆芯中。栅格作成网格形状,相交的网格构件确定了许多隔室,大多数隔室分别支承着核燃料元件。其余的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的壁上设有对角线位置的弹簧。弹簧支承着燃料元件靠在从对面隔室壁上突出的波纹上。每个燃料元件隔室中相邻的对角线弹簧沿着相反的方向倾斜。支承控制杆导管的隔室壁在相邻壁交线之间的位置上,沿着其高度被压印出一个凹区,凹区具有与控制杆导管外表面曲率一致的曲率。栅格上设有混合叶片,叶片被设成对称、分区的模式,相邻区域之间的模式不同,并且被配置成使得横跨栅格中心的液压力得到平衡。在网格片交线的中点上用焊接来增强栅格。

Description

具有液压平衡混合叶片的核燃料组合件

                      发明背景

对有关申请的相互参考。本申请与和本申请同时提出的美国专利申请号08/887,016(摘要号ARF 96-013)有关。

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，尤其是涉及了包括混合叶片的支承栅格。

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。

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薄膜沸腾所造成。这个现象通常称为离开核沸腾(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。与叶片设计和可能影响叶片效率的其它栅格构件设计有关，这个改进性能的方法已获得了不同程度的成功。为了最大程度地利用叶片，必须优化叶片的尺寸、形状、弯曲角度和位置。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。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，以降低在叶片附近产生的扰动。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。

在过去，核燃料栅格设计者大多数采用了沿整个支承栅格结构上均匀的冷却液混合叶片模式。另一个先前技术的设计采用了在相邻半个栅格中的镜面映象模式，相差为180°。有一些这类设计使得冷却液流动引入了振动，它可能引起燃料棒的磨损，并影响其长期的性能。因此，希望有一种改进的栅格结构，它能提高DNB性能和减小由栅格混合叶片液压扰动造成的振动。本发明的另一个目的是提供一种具有最小压降和改进承载强度的结构。

                      发明概述

本发明结构在在横跨栅格的三个和更多个的对称区中建立了螺旋的冷却液流动模式，它对栅格中心为液压平衡，克服了在采用先前技术的核支承栅格设计中遇到的某些困难。栅格的周边形状为等边多角形，对称区被周边和周边线段中点和栅格中心之间延伸的各线所界定。由一个网格形成了栅格的内部，网格构件确定了各个隔室，通过隔室支承了燃料元件、控制杆导管和测量套管。在一个实施例中，至少从支承燃料元件隔室的某些上壁伸出冷却液的混合叶片。除了其方位，在每个区域中的混合叶片模式是完全相同的。从一个区域到另一个区域模式的方位绕着栅格中心作“N”度的转动，这里“N”等于360除以构成栅格周边的线段数目。

在一个优选实施例中，环绕着控制杆导管和测量套管的隔室壁不支承混合叶片，并且在与相邻壁交线之间的中点上作成压印，沿着其高度具有一个凹口，它基本上分别与控制杆导管和测量套管的外曲率配合。压印部位容许采用直径大于隔室名义宽度的导管和套管。每个隔室在其网格片交线的上、下端之间的中间部位上被焊接，以改进其抗挤压强度。

因此，冷却液混合叶片模式的可转动和对称特性的结合，产生了作用在燃料组合件的构件上的平衡液压力，提高了支承栅格的抗振性能。此外，本发明的结构布局改进了栅格的强度，同时可适应直径比燃料元件大的控制杆导管和测量套管。

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

尽管本说明书以具体指出和明确提出本发明主题的权利要求来结束，但可以相信，从结合附图的以下描述中将会更好地理解本发明，其中：

图1是本发明栅格支承组件的顶视图，它表示了在四区的等边四角形设计中混合叶片模式。

图2是图1中心隔室的放大部分的平面图。

图3是网格组件的内部片之一的侧视图，网格组件形成了支承栅格的隔室。

图4是环绕图3所示网格片的周边片的侧视图。

图5是在角上位置的周边片侧视图。

图6是与相交网格构件脱开的图3网格片的部分侧视图。

                    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，冷却液包括一种如Boron的减速剂，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，并具有形成等边形、四角形、多角形或方形的周边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，在图3和6中用编号18作了更好的说明。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。图3提供了网格片14和16之间正交相交区的最好视图。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28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，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。参考与本申请同时提出的美国专利申请号08/887,016(摘要号ARF 96-013)，可更好地理解对角线弹簧的优选设计。

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，参照图1可更好理解该模式，并将在下面作更充分的说明。

隔室34支承着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26或28，或者从它们壁上伸出的混合叶片32。隔室34的不同处还在于：它们在隔室壁中心有一个凹的压印36，从网格片的底边到顶边作延伸。凹区的曲率基本上与所配合的相应导管或测量套管的周向曲率相匹配。被压印的栅格位置适应了比燃料元件直径大的导管和测量套管，为控制杆和测量装置运动提供了较大间隙。这个特性在当前市场竞争中特别重要，更多节省燃料的要求急需更长的燃料烧尽周期，而它可能在燃料组合件内引入某些少量的变形。在一个优选的实施例中，至少在每个隔室34的某些压印上焊接导管和套管。导管和套管隔室34与燃料位置的区别还在于：它们沿压印的下侧切出了一个矩形的缺口40，为连接支承导管的外套提供焊接表面。

在隔室高度的中间位置，隔室壁的每个交线上冲压出焊接舌片30，并朝外折叠和焊接，以改进栅格组件的抗挤压强度。每个网格片18终止在周边片20上，对它也作焊接。

图6说明了网格片18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。网格片18上设有狭缝44，在某些情形下狭缝从片的底面延伸到其高度的上一半，在相交的位置上网格片18与在正交方向延伸的片相遇。正交位置的片上设有相似的狭缝44，狭缝从它的顶面延伸到片的下一半。然后在每个交线上把一个狭缝滑过另一个狭缝，在它们的狭缝处把网格片配合在一起，形成一个鸡蛋框模式，它卡紧了交线和确定了隔室。图6没有表示出前面图3所示的焊接舌片30。

图4和5说明了周边片20的设计。图4表示了周边片20的一侧，它包括了不同形状的保护舌片46，舌片从片的上、下边伸出，并向内弯曲。保护舌片的作用是在从反应堆堆芯插入或退出燃料组合件时，避免挂住在相邻的组合件上。在角48上片被削斜并绕着角被弯曲，如图5所示。

概括地说，本发明克服了某些先前技术混合叶片遇到的引流燃料组合件的振动，在正交于燃料组合件纵向的平面内，提供了一个液压平衡的混合叶片模式，由于均匀分布的升力和阻力，它造成了力、弯矩和扭矩的平衡。此外，在燃料元件支承位置的每个单独栅格隔室内，在相邻隔室壁上如图2中编号28所示的栅格斜弹簧沿相反的方向作倾斜，以尽量减小由于液压升力沿弹簧边上作用而引起的任何不平衡扭矩。这个布局还降低了在燃料组合件上产生转动扭曲偏斜的可能性。

达到本发明液压平衡叶片模式的一个实施例如图1所示，它用于17×17的燃料组合件方阵。为了确定叶片的模式，把栅格分成四个象限50、52、54和56。每个象限由周边以及每个周边线段中点与栅格中心之间的连线所确定。在每个象限中，叶片均位于在燃料元件位置的隔室角上，并且沿着这样的线作延伸：该线平行于从栅格中心到相应象限角点延伸的线。每个象限包括相同数量的叶片。在该实施例中总的模式形成了一个绕燃料组合件中心轴的一个“X”。

在图1所示的实施例中，绕着栅格中心把整个栅格增加转动90度，可以复制出每个象限中的模式。因此，模式是可转动90度的模式。结合该模式的可转动和对称特性，造成了作用在叶片上液压力的平衡，因此提高了栅格的抗振动性能。在这个优选实施例中，本发明表示为用于四边形燃料组合件设计。也应该理解到，在与该优选实施例边数不同的等边多角形周边形状的燃料组合件栅格设计中，本发明也同样适用；例如，在上面所参考的美国专利5,303,276中说明的六边形设计。在该情形中，叶片设计区可由周边和从周边线段中点到栅格中心的延伸线来确定。叶片仍位于燃料元件支承位置并沿着这样的线作延伸：该线平行于在周边线段的相应交点和栅格中心之间延伸的线。在该情形下，设计将是可转动“N”度的模式，其中“N”等于360除以周边线段的数目。因此，本发明的液压平衡叶片构形可用于其它的栅格构形。相似地，尽管在该实施例中，叶片模式被表示为在燃料元件支承隔室上从栅格上边来支承叶片，但应该理解到，在与燃料组合件纵向正交的平面上，把叶片支承在沿着组合件的其它位置也可达到相似的结果。

因此，本发明提供了一个包括支承栅格设计和转向叶片模式的改进燃料组合件，它在以最小振动改进了DNB性能情形下，优化了在工作时反应堆冷却液的流动，降低了压降和改进了栅格抗挤压强度。本发明的栅格也适应于直径比燃料元件大的导管和测量套管，它增加了控制杆和导管之间的设计间隙，并减少了控制杆或测量装置被挂住的可能性。

Claims (16)

1.一个支承栅格，沿侧向保持细长燃料元件在燃料组合件内的相对位置，用于核反应堆的堆芯中，支承栅格包括：

装在支承栅格上的叶片，当冷却液横越靠近栅格位置的燃料组合件时，用于混合流经工作中核反应堆堆芯的冷却液，叶片按预定设计被设置在绕栅格中心为对称的许多区域的每一个中，栅格位于与燃料元件长度方向正交的平面内，各相邻区域内的叶片设计是不同的，并且配置成在每个区域产生一个冷却液流动模式，它平衡了由其余区域中冷却液流动模式建立的横跨栅格中心的液压力。

2.权利要求1的支承栅格，其中，在与燃料元件长度方向正交的平面内，栅格的几何外形是等边多角形，从周边线段中点到多角形中心的连线确定了各个对称区域。

3.权利要求1的支承栅格，其中，区域的数目大于2。

4.权利要求3的支承栅格，其中，叶片在各相邻区域内的配置模式均相同，只是在各相邻区域之间把模式绕多角形的中心转动“N”度。

5.权利要求4的支承栅格，其中，每个叶片是相同的设计。

6.权利要求4的支承栅格，其中，从栅格上游的透视图来看，在周边内每个区域的叶片均指着平行于一条对角线的方向，该对角线从多角形中心到相关区域内的周边线段交点作延伸。

7.权利要求6的支承栅格，其中，区域数目是4，总的叶片模式形成了绕多角形中心轴的一个“X”。

8.权利要求1的支承栅格包括一个确定了许多隔室的网格构件，燃料元件延伸通过某些隔室，其中，至少其余的某些隔室支承着控制杆的导管，以及其中叶片仅在燃料元件支承隔室之内或之上伸出。

9.权利要求8的支承栅格，其中，支承控制杆导管的隔室壁被压印了一个凹区，凹区基本上与控制杆导管的外曲率配合。

10.权利要求1的支承栅格包括一个网格构件，它确定了许多具有壁的隔室，某些壁支承着燃料元件，其中，沿着燃料元件纵向，在隔室顶边和底边之间隔室壁的许多交线上，网格构件包括了焊区。

11.权利要求1的支承栅格包括一个网格构件，它确定了许多具有壁的隔室，某些壁支承着燃料元件，其中，至少某些支承燃料元件的隔室至少在两个相邻壁上包括了对角线弹簧，在弹簧延伸的隔室壁的另一侧上，弹簧从下隔室角到上隔室角在隔室的大致整个高度上延伸，相邻的弹簧以相反的方向倾斜。

12.权利要求11的支承栅格，其中，每个弹簧连接到相应的壁上，该壁用垂直安装的连接件支承着弹簧，该连接件把对沿弹簧上任何点冷却液流动的阻碍限制在弹簧材料的厚度上。

13.一个支承栅格，沿侧向保持细长燃料元件在燃料组合件内的相对位置，用于核反应堆的堆芯中，支承栅格包括一个确定了许多隔室的网格构件，燃料元件通过某些隔室作延伸，控制杆的导管通过某些其余的隔室作延伸，其中，至少某些被控制杆导管延伸通过的隔室壁上压印出一个凹区，凹区基本上与控制杆导管的外曲率配合。

14.权利要求13的支承栅格，其中，被控制杆导管延伸通过的每个隔室壁上压印出一个凹区，凹区基本上与控制杆导管的外曲率配合，以支承其直径大于隔室名义宽度的导管。

15.权利要求14的支承栅格包括许多混合叶片，用于在反应堆工作期间混合流经隔室的反应堆冷却液，混合叶片由许多隔室壁支承，并至少在被燃料元件延伸通过的某些隔室之上或之内作延伸。

16.一个核燃料组合件包括细长燃料元件的一个平行阵列，燃料元件沿着其纵向被一个支承栅格所支承，支承栅格包括：

一个混合叶片阵列，当冷却液横越靠近混合叶片阵列位置的燃料组合件时，用于混合在反应堆工作期间流经核反应堆堆芯的冷却液，沿着正交于燃料元件纵向的方向，叶片被设置在垂直于燃料组合件的平面上，并且按预定模式位于绕栅格中心为对称的许多区域之一内，在相邻区域中的叶片设计是不同的，并且配置成在每个区域产生一个冷却液流动模式，它平衡了由其余区域中冷却液流动模式建立的横跨栅格中心的液压力。

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