CN1405787A - 压水反应堆用的燃料元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于压水反应堆的燃料元件，包括在小室(13)内被定距器(10)固定的燃料棒和控制棒导引管(12)和一个头部及底部构件(6、7)，燃料元件借助头部和底部构件固定在上部和下部堆芯栅格(4、5)上。为了减小燃料元件(1)之间的空隙，建议了一种定距器(10)，它有一个相对于燃料元件(1)中心线沿径向靠外的第一部分(15)和一个完全被第一部分包围的沿径向靠里的第二部分(16)，其中，第二部分(16)用锆锡合金制造以及第一部分(15)用一种金属材料制成，这种金属材料相对于第二部分(16)的锆锡合金有较小的由中子射线引起的沿径向的生长和有较大的热膨胀系数。

Description

压水反应堆用的燃料元件
技术领域
本发明涉及一种用于压水反应堆的燃料元件。
背景技术
为了横向固定燃料元件的燃料棒束，沿燃料棒的长度分布地设多个定距器。燃料元件在其下端有一底部构件，燃料棒支承在底部构件的上侧。在燃料元件的上端有一头部构件。当燃料元件装入反应堆压力容器内时，它们处于下部堆芯栅格与上部堆芯栅格之间，从堆芯栅格伸出的固定销插入底部和头部构件的孔中。堆芯栅格以及头部及底部构件按传统的方式用奥氏体钢制造。至于定距器主要可考虑使用两种材料，亦即同样是奥氏体钢和锆锡合金，后者是一种除了锆作为主要成分以外还含有锡、铁、铬和可选择的镍的合金。因为奥氏体钢有较高的中子吸收率，所以通常采用锆锡合金制的定距器。这两种材料有不同的热膨胀。锆锡合金的热胀系数约为5×10-5mm/mm℃，而奥氏体钢的热胀系数约为18×10-5mm/mm℃。因此，工作中定距器水平方向或沿径向的膨胀量小于堆芯栅格，所以在加热到工作温度时在各燃料元件之间存在的空隙增大。由此带来的缺点主要是，增大了燃料元件侧向的例如由于不均匀压力状况引起的挠曲自由度。在这种情况下不仅会导致单个燃料元件弯曲，而且一辐的所有燃料元件，亦即所有设在堆芯围板内壁之间一条直线内的燃料元件全都弯曲，所以在中部燃料元件区内由于加上增大的空隙可能达到距额定位置10-20mm的偏差。在以如此方式变形的燃料元件中妨碍控制棒插入导引管，以及可能延迟反应堆的快速关闭。除此之外改变了原本存在的减速比，从而导致不希望的功率变化。
燃料元件的弯曲自由度，除定距器与堆芯栅格之间不同的热膨胀外还由于另外两个因素增大。为了使反应堆能可靠地装载和卸载，在燃料元件之间需要约1mm的装载间隙，也就是说，定距器的边长或扳手开口度比堆芯栅格的分节尺寸小这一量。另一个使间隙增大的因素是锆锡合金受中子辐射会生长的特性。这种生长也可以沿径向向外定向，所以定距器经较长时间的中子辐射后，有比原始状态更大的扳手开口度。经较长的运行时间后，虽然在工作状态下部分补偿了以不同的热膨胀系数为基础的空隙增大，但在反应堆冷却后的卸载状态，径向生长的定距器减小了装载间隙，从而妨碍取出要更换的燃料元件。为避免上述情况，从一开始起定距器就规定减小与其生长相应的扳手开口度。新燃料元件定距器扳手开口度的减小，在尚未发生定距器明显生长的开始的工作阶段，导致增大在燃料元件之间存在的空隙。
迄今，为了解决上述问题采取的措施是，将燃料元件结构设计成弯曲刚度尽可能大。尤其是增大控制棒导引管的壁厚以及加强导引管与定距器之间的连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料元件和定距器，它防止增大在装入反应堆压力容器的燃料元件之间存在的空隙，与此同时无需采取提高燃料元件结构的刚度的措施。
此目的通过具有权利要求1特征的燃料元件达到。据此，至少一个的优选地定位在燃料元件中央区域内的定距器，由一个相对于燃料元件中心线沿径向靠外的第一部分和一个沿径向在里面的第二部分组成，其中第二部分用锆锡合金制造以及第一部分用一种金属材料制造，这种金属材料相对于锆锡合金有较小的由中子射线引起的沿径向的生长和有较大的热膨胀系数。与传统的完全用锆锡合金制的定距器相比，在所建议的设计中，位于外部的第一个定距器部分在加热到工作温度时的热膨胀较大，因此在定距器与堆芯栅格之间的热膨胀差比传统的结构方式的小。第一部分的材料膨胀系数与堆芯栅格材料的热膨胀系数越接近，这种减小越明显。如果在第一和第二部分之间从一开始就没有设某个量的间隙，则由于外面部分较大的热膨胀形成了这种间隙。因此，里面部分通过中子辐射造成的径向生长便有可能不导致外面部分的径向扩张。所以里面部分的生长对于定距器的扳手开口度没有影响。因此在新燃料元件时为补偿生长、增大燃料元件之间空隙的定距器扳手开口度的减小便不再需要。在燃料元件之间开始时的空隙可以限为装载间隙。于是，只有在堆芯栅格与定距器外面部分之间不同的热膨胀还造成空隙增大。但若其外面部分用与堆芯栅格相同的材料，亦即优选地用奥氏体钢制造时，那么只是以较小的程度产生加热引起的间隙增大。因此，即使在工作温度，燃料元件之间的空隙仍基本上限于装载间隙。
按第一种优选的实施方案，第一和第二部分是互相没有固定连接的单独的部分。为了保证将外面部分固定在沿径向位于外部的控制棒导引管上，在外面部分的内侧设一个个规定用于此目的的小室。第二部分则固定在更靠里的控制棒导引管上。这两个部分之间的连接是不需要的。
在第二种优选的实施形式中，第二部分由互相交叉插接的隔板构成，其中多个这种隔板由两块分隔板组成，它们沿轴向彼此隔开，也就是说在它们之间留出一个沿隔板全长延伸的空隙。在此空隙内分别安装一块用第一部分的材料制成的膨胀隔板，它将其端部固定在第一部分的内侧上。采用这种设计使第一部分与第二部分机械连接。膨胀隔板的尺寸这样确定，即，允许在它们与分隔板之间相对运动。在加热到工作温度时，膨胀隔板和与其连接的第一部分膨胀，所以至少部分补偿了通过堆芯栅格的热膨胀引起的燃料元件之间间隙的增大。为了对于第一部分尽可能少使用吸收中子的材料，尤其奥氏体钢，优选地规定，此第一部分仅仅是一个由边板构成的框。虽然此框通过嵌入第二部分网格内的膨胀隔板与第二部分连接，但为了进一步提高定距器的机械稳定性，隔板和分隔板的一部分，通过其端部借助沿相关边板纵向作用的形封闭连接，防侧向偏倾地固定在第一部分上。在隔板和分隔板与框之间的这种连接，允许隔板和分隔板与框之间沿隔板纵向相对运动。因此在加热到工作温度时，框可以无阻碍地膨胀。
附图说明
下面借助附图表示的实施例进一步说明本发明。其中：
图1反应堆压力容器示意纵剖面；
图2沸水反应堆的燃料元件；
图3定距器第一种实施例两个部分的示意透视图；
图4按图3的定距器组合状态示意透视图；
图5定距器另一种实施例两个部分的示意透视图；
图6按图5的定距器处于组合状态；
图7按图6的定距器的一种改型；
图8图6所示定距器的局部；
图9定距器和装在其中的燃料棒与控制棒导引管的局部俯视图；以及
图10说明在传统的和按本发明的燃料元件中间隙状况的图。
具体实施方式
由图1可见，沸水反应堆的燃料元件1装在一个在上部堆芯栅格与下部堆芯栅格4、5之间位于反应堆压力容器2内的堆芯围板3内部。在燃料元件上端有一头部构件6，下端有一底部构件7，它们彼此背对的端面有四个角部通孔8(图2)。在两个对角线相对的孔8内，伸入从堆芯栅格4、5伸出的定位销(未表示)。一个燃料元件1或一个燃料棒束的燃料棒9横向通过定距器10固定。燃料元件还包括多根控制棒导引管12。定距器以及燃料元件的总体外轮廓基本上有正方形的横截面形状以及有许多小室13，例如在图2中为18×18或在图3中为9×9，小室被燃料棒9或控制棒导引管12穿过。为了固定燃料棒，从小室的壁向内凸起一些榫舌14和弹簧21(图9)。
图3-7表示的定距器10a、10b、10c有两个不同的部分，亦即一个沿径向靠外的第一部分15a、15b、15c和一个被第一部分包围的里面部分16a、16b、16c。第一部分用与堆芯栅格4、5相同的材料亦即用奥氏体钢制造，而第二部分用锆锡合金制成。在所有这些定距器中，小室13有基本上正方形截面。
在定距器10a(图3、4)中，第一部分15a由唯一的一排形成正方形的小室构成。这一部分15a由四块边板17构成外边界，以及由四块内板18构成内边界。小室13之间的界壁由隔板19构成，它们分别垂直于两块互相配属的边板和内板17、18延伸。在这一部分15a的内角分别设一小室13’，此部分15a通过它们固定在四根控制棒导引管12上(图3和4中分别只画了其中之一)。为此目的，在控制棒导引管12上存在沿径向扩大的区域20，它们与小室13’亦即与构成小室边界的隔板形成沿轴向作用的倒截。定距器10a的第二部分16a由六块纵向隔板22和六块横向隔板23组成，它们互相交叉插接以及它们的长度等于七个小室的宽度。在隔板22和23的端边分别装上边板24，它们比纵向隔板和横向隔板22、23短两个小室宽度。由此在总体上形成了一个充填在第一部分15a内腔中的结构。这两个部分15a、15b可精确配合地或有小量间隙地互相组合在一起。
在按图5和6的定距器10b中，里面的部分16b，类似于按图3、4的实施例，由互相交叉插接的锆锡合金隔板25组成。隔板25全部有相同的长度，因此，这一部分16b基本上是正方的横截面形状。两个中部的和两个外部的隔板分别由两块分隔板25a构成，在分隔板之间留出一个空隙26。空隙26内各装入一块奥氏体钢制的膨胀隔板27并以其端侧与第一部分15b钎焊。此第一个亦即外面的部分15b是一个由边板31构成的框28，在装配状态(图8)框围绕着在里面的第二部分16b。隔板27可与隔板25等长或比隔板25略长，在后面那种情况下因而在隔板25的端边与框28的内侧29之间形成小量间隙。为提高定距器10b的稳定性，隔板27可通过其端区借助沿框28相关边板31纵向30作用的形封闭连接防侧向偏倾地固定在第一部分15b上。这例如可以通过一个或多个成形在全部或一部分隔板25、25a端边上的接头32实现，接头32延伸到框28内相应设计的槽33内。在接头32与槽33的周边之间存在间隙，以便在加热时框28可不受阻碍地扩展。此外可以设想，在一个隔板25上有两个彼此隔开距离的接头32a或一个沿隔板25大部分高度延伸的接头32b，这些接头与框28上相应设计的槽33a、33b配合作用。图8中表示了部分16b与框28之间形封闭连接的另一种可能性。在框28的内侧29上有沿隔板纵向30隔开距离的凸块39，它们将整体式隔板25的端边区有间隙地夹在它们之间。通过间隙保证框28无阻碍地扩展。在按图8的实施例中，凸块定位在框28的上边缘和下边缘区内，以及通过冲压并接着向里弯曲制成。
在反应堆压力容器2或堆芯围板3装载燃料元件1时，为保证安全地装载和以后的卸载，在燃料元件之间需要一个所谓的装载间隙34(图10)约为1mm。在使用传统的用锆锡合金制的定距器中此间隙由于中子辐射使这种材料生长而减小。这种生长取决于制造沿定距器隔板纵向进行，换句话说使定距器扩展。因此，当经较长的运行时间后必须更换燃料元件时，装载间隙34减小了一个与定距器材料生长对应的量。材料的这种生长按传统的做法从一开始就通过相应地减小定距器10、10’的扳手开口度(亦即边长)来考虑。因此在装载的时刻，在两个相邻的传统的定距器10、10’之间便存在间隙35，它由所需要的装载间隙34和考虑到材料生长的补偿间隙36组成。在图10中未按正确比例地描述了间隙状况，图中定距器10’与定距器10之间相应的间距用虚线40表示。虚线41表示在这样一种状态下定距器10’的位置，即此时间隙限制为装载间隙34。工作中温度基本上处于250℃范围内。在加热到工作温度时，固定燃料元件1的堆芯栅格4、5和堆芯围板3膨胀。由于在堆芯栅格4、5与传统的定距器之间不同的热膨胀(奥氏体钢的热膨胀系数约为18×10-6mm/mm℃，锆锡合金则只有约5×10-6mm/mm℃)，再次增大了在装载状态存在的间隙35，亦即增大了一个膨胀间隙37。因此，在上述高的温度下存在的工作间隙38显著地大于装载间隙34。若现在整个燃料元件装置亦即在堆芯围板3的壁之间直线延伸的一排或一幅(Speiche)燃料元件，例如由于在以很高的流速流动的冷却水中的压差而一侧受载时，各燃料元件可能由于它们之间存在比较宽的间隙38而弯曲，在这种情况下通过累加可构成10-20mm的空隙。由此带来的缺点是，在相应的区域内围绕着一根燃料棒的水量增大，从而大大减速并相应地提高功率。但是在设计燃料棒时并没有考虑这种功率增大，所以在上述区域内存在超过沸腾过渡功率(Siede übergangsleistung)的危险。另一个缺点是，由于大的弯曲变形，妨碍将控制棒插入其导引管内并因而延迟了反应堆的快速关闭。在配备所说明的定距器的燃料元件中，这种弯曲只允许较低的程度。通过将沿径向在外面的定距器10的部分用堆芯栅格4、5的奥氏体钢制造，在加热时它按与堆芯栅格4、5相同的量水平膨胀。因此，与传统的具有完全用锆锡合金制的定距器的结构方式相比，膨胀间隙37减小。奥氏体钢有比锆锡合金高的中子吸收率并因而恶化中子质量的缺点，可采取下列措施减轻，即，只在燃料元件的中间区域内使用所述的定距器。在这里，甚至唯一的一个此类定距器就已足够。
定距器靠里的第二部分16a、b虽然依然有材料生长，然而这种生长只影响有关的燃料元件本身。亦即靠里的部分16a、b沿径向或水平方向向在里面部分与外面部分15a、b之间至少在工作状态存在的间隙内生长。即使从一开始没有设这种间隙，但由于用奥氏体钢制成的外面部分15a、b比里面部分16a、b膨胀得更厉害而产生此间隙。因此，总体上将工作状态下存在的间隙基本上限制为装载间隙34。一个燃料元件的弯曲或一整排燃料元件的弯曲，因而与传统的结构方式相比只可能有较小的量。
                     数字标记一览表1   燃料元件        2  反应堆压力容器  3  堆芯围板4   上部堆芯栅格    5  下部堆芯栅格    6  头部构件6   头部构件        7  底部构件        8  孔9   燃料棒         10  定距器         12  控制棒导引管13  小室           14  榫舌           15  第一部分16  第二部分       17  边板           18  内板19  隔板           20  区域           21  弹簧22  隔板           23  隔板           24  边板25  隔板          25a  分隔板         26  空隙27  膨胀隔板       28  框             29  内侧30  纵向           31  边板           32  接头33  槽             34  加载间隙       35  间隙36  补偿间隙       37  膨胀间隙       38  作间隙39  凸块           40  虚线           41  虚线

Claims (8)

1.用于压水反应堆的燃料元件，包括在小室(13)内被定距器(10)横向固定的燃料棒(9)和控制棒导引管(12)和一个头部构件及一个底部构件(6、7)，燃料元件在反应堆压力容器内借助头部和底部构成固定在上部和下部堆芯栅格(4、5)上，其特征为：至少一个的定距器(10)有一个相对于燃料元件中心线沿径向靠外的第一部分(15)和一个完全被第一部分包围的沿径向靠里的第二部分(16)，其中第二部分(16)用锆锡合金制造以及第一部分(15)用一种金属材料制成，这种金属材料相对于第二部分(16)的锆锡合金有较小的由中子射线引起的沿径向的生长和有较大的热膨胀系数。
2.按照权利要求1所述的燃料元件，其特征为：第一部分(15)用与堆芯栅格(4、5)相同的材料制造。
3.按照权利要求1或2所述的燃料元件，其特征为：第一部分(15)用奥氏体钢制造。
4.按照权利要求1至3之一所述的燃料元件，其特征为：至少一个的定距器(10)设在燃料元件的中部区内。
5.按照权利要求1至4之一所述的燃料元件，其特征为：第一和第二部分是单独的部分，其中，在第一部分(15a)内侧设一个个分别沿轴向固定在一根沿径向靠外的控制棒导引管上的小室(13’)。
6.按照权利要求1至4之一所述的燃料元件，其特征为：第二部分(16b)由互相交叉插接的隔板(25)构成，其中多个这种隔板(25)由两块分隔板(25a)组成，在分隔板之间留出一个沿隔板全长延伸的空隙(26)，空隙中装一块用第一部分(15b)的材料制成的膨胀隔板(27)，它将其端部固定在第一部分(15b)的内侧(29)上。
7.按照权利要求6所述的燃料元件，其特征为：第一部分(15b)是一个由边板构成的框(28)。
8.按照权利要求7所述的燃料元件，其特征为：隔板(25)和分隔板(25a)的至少一部分，通过其端部借助沿相关边板的纵向(30)作用的形封闭连接，防侧向偏倾地固定在第一部分(15c)上。
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