CN1332395C - 核燃料组件的高能量吸收的上管座 - Google Patents

Abstract

一种用于核燃料组件的高能量吸收的上管座，该管座包括：一个上管状筒组件，该上管状筒组件具有处第一和第二端之间的压紧板；一个组件，该组件包括一个管状毂和一个棒弹射板；一个反作用板；弹簧装置，它将上毂塞至少部分偏压在压紧板的中心孔内或者刚好在中心孔的下面，反作用板靠在压紧板的下表面上，压紧板距离管状毂的开口端一个预定的距离。控制棒紧急停堆带给管座的能量主要由弹簧和在管座内的活塞的水力效应吸收。

Description

核燃料组件的高能量吸收的上管座

技术领域

本发明涉及一种核燃料组件的上管座，该上管座吸收燃料组件和其它反应堆部件的热膨胀和辐照增长的差值，特别涉及用于由基本上同样材料构成其部件的反应堆的一种可膨胀的改进型上管座。

背景技术

在前苏联设计的核反应堆中，反应堆堆芯由大量的长燃料组件构成。每个燃料组件具有许多燃料棒。用多个燃料格架将燃料棒保持成一个组织好的六边形阵列。燃料格架沿燃料棒的纵向间隔开且固定到不锈钢的控制棒导向套管上。不锈钢的控制棒导向套管的两端延伸超出燃料棒的上端和下端，并且分别被连接到上管座和下管座上。该燃料组件被安装在反应堆容器中，其下管座坐落在下堆芯板上。一个上堆芯板压靠在上管座上。

苏联设计的上管座被不可拆卸地固定到燃料组件的不锈钢控制棒导向套管上。这些复杂的管座执行几个功能。第一，它们使控制棒束组件(RCCA)相对于堆芯中的导向管定位，使得RCCA相对于上堆芯板的位置被固定。该RCCA使得控制棒定位，控制棒组或者控制棒束被插入到燃料组件中。

在紧急停堆时，紧急停堆一般被称之为“scram”，当RCCA的控制棒掉落到反应堆堆芯中时，苏联的这种管座通过使用弹簧移走能量来阻尼控制棒的速度。该管座还提供弹簧载荷来支撑内部构件。当上堆芯板下降到该管座上时，上堆芯板压缩管座弹簧。此外，当燃料组件从反应堆容器中移走时，苏联的这种管座被设计成保护控制棒。在这些情况下，RCCA位于该管座的上边缘或者低于该管座的上边缘。最后，当燃料组件被提升出堆芯时，通过管座传递载荷，苏联设计的上管座使得燃料组件可以被处理。

这样，苏联的这种管座被设计成在自由和压缩两个位置起作用。当不锈钢被用于苏联的燃料组件的套管时，一旦燃料组件就位后，在反应堆容器内部和燃料组件之间的相对隔离保持不变。弹簧载荷使得管座可以支持堆内构件，弹簧载荷以及RCCA的位置被固定，所有的功能是静态的。结果，管座具有固有的基准作用，堆内构件围绕它设计。由于苏联设计中所用的不锈钢套管的中子吸收率，该套管对燃料组件带来了较高的反应性消耗，并且该套管较难连接到燃料组件的格架上。苏联之外的燃料组件使用锆合金来制造该套管，锆合金套管带来了较小的反应性消耗。然而，锆合金与不锈钢反应堆容器相比具有不同的热膨胀常数，并且在辐照时增长。可以吸收反应堆内不同部件的这种尺寸变化的可膨胀的上管座，例如在美国专利4534933、4687619、4702882和4986959中被公开。然而，这种管座被用在这样的反应堆中，即其上堆芯板压靠在反应堆容器内的一种呈周向壁架形状的堆芯支撑上。在苏联这种类型的反应堆中，堆芯板压靠在上管座上并由上管座支撑。

前面已经说过，苏联设计的上管座是被永久连接到燃料组件的套管上的。上面提到的专利公开了一些可拆卸的上管座，美国专利5479464将该技术更进一步，将可拆卸的上管座应用到苏联型反应堆的管座设计上。然而，在某些燃料组件的部件中用锆合金来替代不锈钢，例如控制棒在其中移动的套管，要求进一步的修改，以确保这些组件受到的冲击载荷可以被吸收，而不损害组件或其它堆芯部件。例如，在VVER-1000型苏联设计的反应堆中，当控制棒紧急停堆时，控制棒自由落下并以很高的速度冲击上管座。这种燃料设计不使用缓冲装置或任何其它的水力机械装置来使这种高冲击减少到最低。在美国专利5479464中所描述的设计中，采用弹簧来吸收一部分载荷。然而，需要进一步的措施来吸收这种载荷的冲击和载荷本身。在VVER-1000型苏联设计的反应堆紧急停堆时，控制棒组件和其驱动线自由下落到燃料组件中。在一个标准的西方的燃料组件的设计中，在控制棒完全插入到燃料组件中之前大约有两英尺，控制棒的顶端进入到套管的一个被称为缓冲段的小直径的部分。该缓冲段比控制棒大约大1毫米。在紧急停堆时，控制棒在这一点处快速移动，在缓冲段有大量的水被强迫加速通过下落的控制棒，给这些控制棒让出空间。这个过程使得控制棒被快速减速，这样就平缓了在上管座适配板处的控制棒组件的冲击速度。标准的VVER-1000型燃料组件不具有缓冲段，因此控制棒组件以非常高的速度冲击上管座。由于动能等于质量乘以速度的平方，如果对VVER-1000的燃料组件的冲击速度是标准西方压水堆设计的冲击速度的4倍，那么在冲击后必须要吸收的总能量高达16倍。

因此，希望有一种新的高能量吸收的上管座，该上管座将确保在紧急停堆事故发生时预计的冲击载荷将被吸收，而不损害该管座、燃料组件和/或控制棒组件。

另外，需要一种可膨胀的高能量吸收的上管座，在将上堆芯板支撑在一个固定的位置时，该上管座可以吸收燃料组件的锆合金部件的膨胀和增长。

此外，需要一种可膨胀的高能量吸收的上管座，在继续将上堆芯板基本上支撑在其固定位置时，该上管座可以吸收控制棒紧急停堆时的冲击。

发明内容

本发明满足了这些和其它的需要，本发明涉及核燃料组件的可膨胀的上管座，该上管座包括一个上管状筒组件，该上管状筒组件具有第一端和第二端，上堆芯板座在第一端上。该上管状筒组件还包括压紧板，该压紧板的周边固定在上管状筒组件的第一和第二端之间的上管状筒组件的内壁上，并且基本上横跨上管状筒组件内的中央孔。压紧板具有一个中心孔和多个周围的辅助孔，上毂塞组件可以穿过该中心孔，支撑管可以在辅助孔中移动。可膨胀的管座还包括一个子组件，该子组件包括一个管状毂，该管状毂具有一个封闭端和一个开口端，该开口端可以滑动地定位在该上管状筒组件的第二端中。该子组件还包括一个棒弹射板和多个支撑管，支撑管以固定的轴向对齐的空间关系，将棒弹射板刚性地固定到该管状毂上。该棒弹射板上设置有一些孔，这些孔与固定在该孔中的支撑管对齐。

上毂塞组件包围并接合到中心管的上部并延伸穿过压紧板中的中心孔。上毂塞组件包括一个反作用板，该反作用板基本上横跨上管状筒组件的横截面，并具有多个孔，这些孔的尺寸被确定并对齐以滑动地接纳支撑管。在反作用板靠近压紧板的最上面的位置，反作用板基本上覆盖压紧板的相邻表面。弹簧将上毂塞偏压在压紧板的中心孔内，反作用板靠在压紧板的下表面上，压紧板距离管状毂的开口端一个预定的距离。

在紧急停堆时，控制棒束组件(RCCA)冲击上管状毂组件，驱使它朝该毂的封闭端方向移动。当控制棒接近燃料组件内的套管的下部时，在压紧板和反作用板之间的水力吸引，当反作用板向下移动由反作用板下方的水的移动引起的水力阻力，以及当上毂塞组件向着该毂的封闭端移动时弹簧的压缩，吸收了基本上大量的RCCA的能量。

优选地，上管状筒组件在朝远离该毂的膨胀方向上的移动被限制在距该毂一定的距离内，以确保上管状筒组件组件不移出该管状毂。

在优选的实施例中，弹簧包围支撑管和中心管，并且基本上在该毂的封闭端和反作用板之间延伸。优选地，弹簧被定中且距离它所包围的相应的支撑管和中心管的外壁一段距离，这样弹簧的移动就不会损伤该管的表面。所希望的是，一些弹簧延伸穿过反作用板中的孔并座靠在压紧板上，在紧急停堆时，以支撑就位的上堆芯板。该支撑管延伸到棒弹射板上。燃料组件内的该套管可拆卸地连接到棒弹射板上。中心管适于可滑动地安装在燃料组件内相应的仪表管上。这样，形成一个具有可拆卸的可膨胀的、能吸收大量RCCA紧急停堆冲击载荷的管座完整的组件。

附图说明

当结合附图阅读下面对优选实施例的描述，可以进一步地了解本发明，其中：

图1是本发明的一种可膨胀的高能量吸收的上管座的剖视图。

具体实施方式

参照图1，本发明的可膨胀的可以拆卸的上管座10包括一个上管状筒组件18，上管状筒组件18具有上面的第一端19和下面的第二端21。上堆芯板12由上管状筒组件18的上面的第一端19支撑。在上管状筒组件的上面的第一端19中有一个键17，该键17和该上管状筒组件径向相对侧上对应的键相配合，用作提升管座10时的夹持点。该键17安装到上堆芯板上相应的键槽中，以固定燃料组件16的方位。该燃料组件16包括一个燃料元件阵列14，该燃料元件阵列14被卡在该可膨胀的上管座10和一个下管座(未表示)之间。该上管状筒组件18还包括一个压紧板22，该压紧板22沿径向横跨上管状筒组件18的内部并处于上管状筒组件18的上面的第一端19和下面的第二端21大约中间的位置，并且压紧板基本上横跨该上管状筒组件内的中央孔，如图1所示。压紧板22具有许多通孔，包括一个上毂塞组件30穿越的大的中心孔24和周围的沿角度方向间隔开的辅助孔26。支撑管50可滑动地定位于辅助孔26中。连接销48从下毂状铸件组件38的下封闭端40延伸并在其端部用连接销螺母58固定。在该示例中，有六个这样的连接销位置。上管状筒组件18的压紧板22在在相应的辅助孔26中的连接销48和支撑管50上可以滑动，但是被连接销凸肩49和连接销的螺母58止挡。

包含有一个下管状毂状铸件组件38的组件具有一个下封闭端40和一个上开口端42。该开口端42被滑动地接纳在上管状筒组件18下部的第二端21中。用支撑管50将一个棒弹射板46刚性地固定在下部的管状毂状铸件组件38的下封闭端40上。所述支撑管50延伸穿过下毂状铸件组件38的下封闭端40并固定在棒弹射板46中的相应的孔中。该支撑管50通过钎焊或者焊接被固定在棒弹射板上以及固定在该下毂状铸件组件的下封闭端40的相应的孔62中。那么，该支撑管50从棒弹射板46延伸穿过下毂状铸件组件的下端40，再穿过反作用板32中的孔。在反作用板32处支撑管可滑动地终止在压紧板22中相应的孔26中。上文提到的连接销48起到一个防止该支撑管从孔26中抽出的止档的作用，并被固定到下毂状铸件组件38的下封闭端40上。在上堆芯板12的重量将压紧板向下压缩时，这一点下面将要解释，这些连接销不会阻止支撑管50在压紧板22中的孔26中滑动。通过一个中间锁套，棒弹射板46被设计成与燃料组件中的套管连接。棒弹射板的周边部分还由多个支腿60支撑，这些支腿一端延伸并且固定在下毂状铸件组件38的下端，另一端延伸并固定在棒弹射板46上。

上毂塞组件30包围并接合到中心管28上，并且可以形成一个一体化的部分。该上毂塞组件30包括一个反作用板32，该反作用板的周边向外延伸到上管状筒组件的内壁上。因此，反作用板32基本上横跨上管状筒组件18中的中央孔，而且，反作用板32在其上部位置基本上邻接压紧板22的下表面。该反作用板32包括支撑管50可以滑动通过的一些孔34。在反作用板中的一些孔34小于该反作用板中的其它一些孔36，为下面将要描述的弹簧提供间隙。

螺旋弹簧52和54，如果不是全部的话，包围许多支撑管50和中心管28，并从靠近下部毂状铸件38的下封闭端40处的位置延伸，在弹簧52的情况下直至反作用板32附近，在弹簧54的情况下直至压紧板22的下侧附近。这样，围绕着中心管28和支撑管50的弹簧52基本上从下毂状铸件组件38的下封闭端40延伸到反作用板32以将反作用板32基本上压靠在压紧板22上，如图1所示。在反作用板32中的大孔36使得反作用板能向下移动而不压缩弹簧54。为了制造方便，为弹簧54提供一个弹簧支座56，这样所有的弹簧52和54的长度几乎相同。此外，在支撑管50的周围设置一个弹簧定中套环64，以将弹簧定中在套环的周围并防止弹簧划伤支撑管50的外壁。应该理解的是，可以给中心管28提供类似的套环。此外，应该理解的是，可以在一些或者全部支撑管的周围设置弹簧，弹簧的数量和位置根据将要受到的载荷和要实现的平衡来确定，以使得上管状筒组件18在上堆芯板就位时在下部毂状铸件组件38的上方平稳地滑动，在紧急停堆期间保持该位置，同时吸收一部分因紧急停堆所带来的增加的载荷。在该优选的实施例中，除了中心管之外，有十八个支撑管安装有弹簧。其中三个弹簧延伸穿过反作用板32，以抵靠在压紧板的下表面上。

当燃料组件16被装入到反应堆堆芯以及上堆芯板降下来时，上部的上管状筒组件18被迫下降。该上部的上管状筒组件18通过一体化的压紧板22将反作用板32和三个弹簧54向下推，取决于三个弹簧54的弹簧常数，这可以使所有十九个弹簧至少部分地向着该组件的底部偏离。这种动作结合弹簧预紧，将压紧力传递给燃料组件16，在操作期间该动作使得燃料组件下降到下堆芯板上。当反作用板32被压向下并接触连接销凸肩49时，连接销凸肩49起行程止挡作用。

在紧急停堆期间，控制棒束组件(RCCA)落下，直到它碰撞毂塞组件30的上毂，然后使整个反作用板32下降。这时，发生三件事，第一，十九个压紧弹簧中的十六个弹簧52开始向着该毂塞组件的底部偏移，这样就抵消了RCCA的一些下降动量；第二，当反作用板32的上表面离开压紧板22的下表面时，需要一个很大的力来水力分离这两块板，这种水力分离的力也吸收大量的能量并且有助于减缓RCCA的移动；第三，当反作用板32的下表面开始向下移动，在该板和下部毂状铸件38之间的体积被减少，水被排出该区域，虽然有几个水流过的泄漏通道，但是，当RCCA的速度很高时，积聚了相当大的压力，这也有助于减缓RCCA。这三种情况组合起来导致在任何实体相碰撞之前很好地减缓了RCCA，而不损害上管座的各个部件或者控制棒组件中的任何部件。

因此，本发明的高能量吸收的上管座吸收了RCCA和控制棒驱动线的高能量，并止挡了控制棒组件在允许的空间内的下移，而不损害上管座或者控制棒组件。这种能量的吸收来自于在冲击之后发生的机械弹簧偏移和分离在上管座内的两块板而产生的水力阻尼以及在上管座的中间腔室内压力积聚而形成的水力阻尼。

在对本发明特定实施例详细描述的同时，本领域的技术人员应该理解的是，根据所公开的所有启示，可以进一步对这些细节作各种变更和选择。因此，所公开的特定实施例只是示例性的而不是对本发明的范围和等同物加以限制。所附的权利要求给出了本发明的整个范围。

Claims (12)

1.一种用于核燃料组件的高能量吸收的上管座，它具有至少部分延伸穿过其间的支撑管，由控制棒束组件支承的控制棒可以在其中滑动，该管座包括：

一个上管状筒组件，该上管状筒组件具有上面的第一端和下面的第二端以及压紧板，该压紧板沿径向横跨上管状筒组件的内部并处在该上管状筒组件的第一和第二端之间的中间位置，并且压紧板基本上横跨该上管状筒组件内的中央孔，所述压紧板具有一个朝向该上管状筒组件第一端的上表面和一个朝向该上管状筒组件第二端的下表面以及一个中心孔和多个辅助孔，上毂塞组件可以穿过该中心孔，支撑管可以在辅助孔中移动；

一个组件，该组件包括一个管状毂，该管状毂具有一个封闭端和一个开口端，该开口端可以滑动地定位在该上管状筒组件的第二端中，该组件还包括一个棒弹射板，所述支撑管以固定的轴向对齐的空间关系，将所述棒弹射板刚性地固定到该管状毂上，该棒弹射板上设置有一些孔，这些孔与固定在该孔中的支撑管对齐；

上毂塞组件，它包围并接合到一个中心管的上部并能延伸至少部分穿过所述压紧板中的中心孔，上毂塞组件包括一个反作用板，该反作用板基本上横跨上管状筒组件中的中央孔并具有数个孔，所述数个孔的尺寸被确定并且这些孔对齐以便能滑动地接纳支撑管，在反作用板靠近压紧板的最上面的位置，反作用板基本上覆盖压紧板的下表面；

弹簧装置，它将上毂塞至少部分偏压在压紧板的中心孔内或者刚好在中心孔的下面，反作用板靠在压紧板的下表面上，压紧板距离管状毂的开口端一个预定的距离。

2.如权利要求1的高能量吸收的上管座，其特征在于，该支撑管可滑动地延伸穿过相应的压紧板中的孔，并包括连接销，所述连接销防止支撑管自相应的压紧板中的孔中退出，因此也就防止了上管状筒组件离开管状毂。

3.如权利要求2的高能量吸收的上管座，其特征在于，所述连接销延伸穿过反作用板和压紧板。

4.如权利要求1的高能量吸收的管座，其特征在于，该中心管可滑动地延伸穿过该毂的封闭端中的孔。

5.如权利要求4的高能量吸收的管座，其特征在于，弹簧装置包括螺旋弹簧，该螺旋弹簧包围中心管并且基本上从该毂的封闭端延伸到反作用板上，以将反作用板基本上压靠在压紧板上。

6.如权利要求5的高能量吸收的管座，其特征在于，还包括多个螺旋弹簧，该多个螺旋弹簧分别包围至少一些支撑管，所述多个螺旋弹簧基本上从靠近所述下毂状铸件组件的下封闭端的位置一直延伸到反作用板附近，以朝压紧板偏压反作用板。

7.如权利要求6的高能量吸收的管座，其特征在于，至少一些有螺旋弹簧包围其一部分的支撑管具有基本上定中该弹簧并使弹簧与支撑管壁隔开并不与之接触的间隔件。

8.如权利要求7的高能量吸收的管座，其特征在于，该间隔件是一个包围所述支撑管的轴向长度的、插在所述支撑管的外周边和相应弹簧内周边之间的弹簧定中套环。

9.如权利要求1的高能量吸收的管座，包括将棒弹射板的周边部分刚性地固定到所述毂上的支腿。

10.如权利要求6的高能量吸收的管座，其特征在于，至少一些所述弹簧从所述下毂状铸件组件的下封闭端附近的位置一直延伸到压紧板的下侧附近。

11.如权利要求10的高能量吸收的管座，其特征在于，延伸穿过反作用板并座靠在压紧板一部分上的弹簧被设计成具有足够的长度，以支撑该上管状筒组件，在上堆芯板的重力作用下，当控制棒束组件紧急停堆并冲击和向该毂的封闭端方向驱动上毂塞组件时，防止该上管状筒组件向所述管状毂的封闭端方向上移动。

12.一种核燃料组件，它具有被保持在上管座和下管座之间的燃料元件阵列，上管座包括一种高能量吸收的上管座，它具有至少部分延伸穿过其间的支撑管，由控制棒束组件支持的控制棒可以在其中滑动，该高能量吸收的上管座还包括：

一个上管状筒组件，该上管状筒组件具有上面的第一端和下面的第二端以及压紧板，该压紧板沿径向横跨上管状筒组件的内部并处在上管状筒组件的第一和第二端之间的中间位置，并且压紧板基本上横跨上管状筒组件内的中央孔，所述压紧板具有一个朝向该上管状筒组件的第一端的上表面和一个朝向该上管状筒组件的第二端的下表面以及一个中心孔和多个辅助孔，上毂塞组件可以穿过该中心孔，支撑管可以在辅助孔中移动；

一个组件，该组件包括一个管状毂，该管状毂具有一个封闭端和一个开口端，该开口端可以滑动地定位在该上管状筒组件的第二端中，该组件还包括一个棒弹射板，所述支撑管以固定的轴向对齐的空间关系，将棒弹射板刚性地固定到该管状毂上，该棒弹射板上设置有一些孔，这些孔与固定在该孔中的支撑管对齐；

上毂塞组件，它包围并接合到中心管的上部并可延伸至少部分穿过所述压紧板中的中心孔，上毂塞组件包括一个反作用板，该反作用板基本上横跨上管状筒组件内的中央孔并具有多个孔，这些孔的尺寸被确定并且这些孔对齐以可滑动地接纳支撑管，在反作用板靠近压紧板的最上面的位置，反作用板基本上覆盖压紧板的下表面；以及

弹簧装置，它将上毂塞至少部分偏压在压紧板的中心孔内或者刚好在压紧板的中心孔的下面，反作用板靠在压紧板的下表面上，压紧板距离管状毂的开口端一个预定的距离。

Images