CN1820326A - 用于压水核反应堆的燃料元件 - Google Patents

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Abstract

用于压水核反应堆的燃料元件包含大量燃料棒(2)，它们在多个相互轴向间隔距离的定位格架(4d)内导引，定位格架由栅格隔板(20)构成，它们分别形成一具有大量栅格单元(6)的栅格，栅格单元成行和列设置，其中栅格隔板(20)具有用来产生冷却水的具有平行于定位格架平面定向的横向流动分量的流动的导流元件(26)。按照本发明设想，至少一个定位格架(4)由许多分区(50a－d)构成，它们分别大于一个栅格单元(6)，并且导流元件设计成这样并这样分布在定位格架(4)内，使得在经过每个分区(50a－d)的通流中产生一个横向流动分布，它使得至少几乎只有在位于分区内部的子流道(6)之间进行冷水交换。

Description

用于压水核反应堆的燃料元件
技术领域
本发明涉及一种用于例如由DE 196 35 927 C1所知的压水式核反应堆的燃料元件。
背景技术
在图13中举例表示了一种这样的燃料元件。在这种燃料元件中大量燃料棒2沿棒方向(轴向)相互平行地穿过多个相互轴向间隔一定距离的定位格架4，它们分别形成具有大量栅格单元6的二维栅格，栅格单元按列8和行10设置。除燃料棒2外还有支承管穿过这些栅格的栅格单元6，支承管不包含燃料，并且设置用来安装和引导控制棒(所谓的控制棒引导管12)。此外还可以存在这样的支承管，它们同样不包有燃料，仅仅用来提高稳定性(仪表管或结构管，在举例示出的燃料元件中既没有设置仪表管，也没有设置结构管)。
为了提高加热面的临界负荷(临界热通量CHF)，定位格架设有导流元件，它们除局部的混和功能，例如通过在定位格架下游产生涡流外还有这样的功能，即造成燃料元件较热的区域和较深的区域之间冷却介质的横向交换。这种横向交换用来，使在燃料元件整个横截面上冷却介质温度均匀化，并用这种方法提高临界热通量。此外横向交换也可以超出燃料元件的边界进行，如由DE 21 22 853 A所知。那里公布一种用于压水核反应堆的燃料元件，其中通过这样的方法进行相邻燃料元件之间的这种横向交换，即围绕由四个相邻燃料元件形成的交叉点产生一环流。
在具有定位格架的燃料元件中这种导流元件通过导流板构成，它们在流出端围绕子流道的由栅格的交叉点形成的中心设置，所述定位隔架的栅格单元像在由DE 21 22 853 A所知的实施形式那样通过单壁的栅格隔板相互隔开。这种导流板也称为涡旋或偏转翼片。这里在每个交叉点上可以设置最多四个这种导流板或翼片。
在图14中以定位格架4a的俯视图表示这种已知燃料元件。定位格架4a由大量垂直交叉的栅格隔板20构成，它们相互穿透。栅格隔板20构成近似于正方形的栅格单元6用来安装燃料棒2，燃料棒在栅格单元6内通过凸销(Noppe)22和弹簧(Feder)24牢固夹紧。在定位格架4a的栅格隔板20上设有偏转元件26，它们在图示实施例中是侧向弯曲的涡旋翼片。这里涡旋翼片这样地设置在交叉点上，使得在燃料棒2之间通过定位格架4a沿轴向(平行于燃料棒2)在所谓的分别位于栅格隔板的交叉点上的子流道30中流动的冷却剂偏转，并形成一垂直于轴向定向的(水平)速度分量。在所示的具体实施例中，一种绕子流道30中心线28的涡旋D作用于流体上。通过涡旋翼片引起的旋转运动造成在这个子流道30内流动的冷却剂更好的局部混和，并加大流出端的临界热通量。各个相邻的涡旋流动具有相反方向，使得相对于整个燃料元件横截面各自施加的扭矩相互平衡。通过所作用的涡旋流动还使相邻子流道30之间发生冷却剂交换，然而仅仅是适度的效果。
冷却剂在燃料元件内横向输送的改善通过在图15中所示的定位格架4b实现，其中为了清楚起见在该图和后面的图中未画出穿过栅格单元6的燃料棒。定位格架4b在每个由4个相互邻接的栅格单元6构成的子流道30内仅仅包含两个偏转元件26，它们使冷却剂向相反的方向偏转。在每个子流道30内产生一沿箭头31方向的环流。它们与置于其上的，亦即伸出多个栅格单元上方的沿对角线方向的横向流动32叠加。因此这种所谓的双翼片具有比四翼片好的混和度，如在图16缩小比例的视图中清楚地示出的那样。所形成的横向流动32实际上在燃料元件的整个横截面上延伸。
例如由DE 0 237 064 A2已知一种可供选择的定位格架设计方案。在那里公开的定位格架中每个栅格隔板由两个相互焊接的薄板条构成。代替在栅格隔板上棱边上的涡旋翼片(Drallfahne)在这种定位格架中板条设有突起的成型部(Ausformungen)，它们延伸到分别由板条围成的栅格单元的内部。拼合成一栅格隔板的板条的各个相互面对面的成型部构成一沿垂直方向延伸的近似于管状的流道。每个流道相对于铅垂线倾斜，并产生一平行于隔板定向的、朝隔板的交叉点指向的冷却液流动分量。这里子流道的倾角这样设置，使得形成绕分别穿过栅格单元的燃料棒的涡旋流动。
在采用这种已知的双壁定位格架时在实际应用中在燃料棒包络管上只能观察到小的微振磨损损伤。
在图17中借助于箭头40表示在这种已知定位格架4c时在通流中得到的流动图。在通过成型部42构成的流道44中流动横向分量作用于冷却剂，它导致冷却剂绕各个穿过栅格单元的燃料棒的环流。因为由与栅格隔板的交叉点相邻的流道44产生的横向流动40相互成对地方向相反，冷却剂在超过相应的栅格单元边界处，亦即在栅格单元之间，只产生小的和此外同样的稳定的横向交换。
由DE 201 12 336 U1已知，这种双壁定位格架在交叉点附近此外还配备导向翼片，以便在流过子流道的冷却剂上叠加一垂直于燃料棒的流动分量。通过这种措施可以改善临界热通量。
发明内容
本发明的目的是，提供一种燃料元件，它既在其临界热通量方面又在其微振磨损性能方面最佳化。
按照本发明用具有权利要求1特征的燃料元件实现所述目的。用于压水核反应堆的燃料元件包含大量燃料棒，它们在多个轴向间隔一定距离的定位格架内导引，定位格架由相互交叉的栅格隔板构成，它们分别形成一具有大量栅格单元的栅格，栅格单元成行和列设置，其中栅格隔板具有导流元件，它们将平行于定位格架平面定向的横向流动分量作在到分别在燃料棒之间在子流道内轴向流动的冷却水上。至少一个定位格架由大量分别大于一个栅格单元的分区构成，导流元件设计成这样并分布在定位格架内，使得在经过每个分区的通流中产生一个横向流动分布，它使得至少几乎只有在位于分区内部的子流道之间进行冷却水交换。换言之：在分区上至少在一局部的位于分区内部并与两个相邻子流道之间的边界重叠的下部区域内形成一定向的横向流动，它局限在分区内，不扩展到或者仅仅可以忽略不计的量扩展到相邻分区内。因此在这个分区边缘上冷却剂垂直于边缘的速度分量vn等于零。
通过这个措施尽管临界热通量和以前一样高但显著改善了耐微振磨损的能力。
这里本发明建立在这种认识的基础之上，即一个在每个交叉点上仅仅设有两个偏转元件分体翼片的定位格架，例如在图15和16中所示，使得与四翼片(图14)相比或与由EP 0 237 064 A2所知的双壁定位格架(图17)相比在燃料元件的横截面上明显更好的冷却剂横向混和，因此用它制造的燃料元件具有明显更大的临界热通量。但是在已知的设有分体翼片的定位格架的通流中形成的沿对角线方向的在燃料元件的整个横截面上延伸的横向流动从机械观点看是有缺点的，因为它必须将合力或扭矩引到燃料元件上。这个力或力矩可能导致自激振动，这可能带来微振磨损的更大危险。
现在本发明建立在这样考虑的基础上，即为了改善临界热通量并不绝对需要，冷却剂在燃料元件的几乎整个横截面上产生横向交换。而是如果仅仅在分区的一组相邻子流道之间进行冷却剂的明显的横向交换，就足够了。
由于这种局部的不均匀性作用在穿过分区的燃料棒束上的力或力矩在本发明一种优选的结构中全局上相对于燃料元件的整个横截面至少近似地通过这样的方法补偿，即至少给多数分区分别这样地配设一与它分开的分区，使得由于在分区内和在配设与它的分开的分区或一些配设于它的分开的分区内的横向流动形成的力和/或力矩至少近似地相互抵消。
在本发明另一种优选的结构中，分区和至少一个配设于它的分开的分区相互镜像对称地构成。由于镜像对称性用结构简单的方法至少近似地达到在这些分区内通过横向流动所形成的扭矩大小相同方向相反。此外由于镜像对称性分别在这些分区内形成的力也相互抵消。
优选相互配设的分区相互邻接。用这种方法使形成的力和/或转矩在分区边界上直接抵消。
在本发明一种特别优选的结构中在一个分区内的导流元件设计成这样，使在这个分区内产生的横向流动在它上面仅仅作用一个转矩。
附图说明
参照附图的实施例进一步说明本发明。附图表示：
图1以一在定位格架上方局部横剖视图的示意原理图表示一按本发明的燃料元件的实施形式，
图2-5同样以示意原理图分别表示在一按本发明的燃料元件中定位格架的上方横向流动分量可能的分布，
图6、7另一种实施形式，其中定位格架具有带附加装上的偏转翼片的双壁隔板面，
图8一种实施例，其中燃料元件具有一无翼片的由双壁隔板构成的定位格架，
图9一种实施例，其中燃料元件具有一带错开并同方向设置的偏转翼片的单壁定位格架，
图10带有其边界倾斜于栅格隔板延伸的分区的实施例，
图11按本发明的燃料元件在一边缘区域内的局部视图，
图12用来说明在实际实现本发明时的方式的18×18的燃料元件，
图13一按现有技术的压水核反应堆的燃料元件，
图14-17分别以由现有技术已知的定位格架的示意俯视图表示一燃料元件。
具体实施方式
按图1按本发明的燃料元件具有一定位格架4d，其栅格隔板20在交叉点下游设有成对设置的偏转元件26。在本实施例中涉及所谓的“分体翼片”(split vanes)，它们和在图15和16中所示的偏转元件类型相同，但是按照本发明它们以不同的布局分布在交叉点上。
定位格架4d由大量矩形的，例如正方形的分开的分区50构成，它们分别大于一个栅格单元6。在本实施例中每个分区50包括一个完整的中央栅格单元6，各四个相邻的半栅格单元6以及沿对角线邻接的栅格单元6的四个象限。因此每个分区50的总面积相当于四个栅格单元6的面积。因为分区50的角点分别位于一个栅格单元6的中心，每个分区覆盖四个完整的子流道30。对于一个被四个燃料棒2包围的子流道30用阴影线表示。在图中画出了四个完整的分区50a-d。在一个分区50a-d内的导流偏转元件26相对于各个在一共同的边界面上相邻分区50a-d的偏转元件镜像对称地设置。因此分区50b由分区50a通过在一垂直于图纸平面的镜面52的镜像成形产生。相应地分区50c相对于镜面54与分区50b镜像对称。分区50d由分区50c通过在镜面52上的镜像成形产生，而分区50a和50d相对于镜面54相互镜像对称。与分区50a-d相邻的在图中仅仅部分画出的分区也以同样的方法构成。通过相对于各个相互垂直和直线相交的镜面的四重镜像成形复制出分区50a本身。
现在这种结构促使，在每个分区50a-d内只能形成横向流动56，所述横向流动局部限制在相应的分区50a-d内，并且延伸不超过其边界，而在这些边界上与相邻分区50a-d的具有相反的方向的横向流动相遇。在本发明的意义上局部限制的横向流动是指，在每个分区50a-d的边缘处水平流动速度的法向分量vn至少近似等于零：vn＝0。
在本实施例中在每个分区50a-d中形成局部的定向横向流动，它们实现在位于一个分区50a-d内的相邻子流道30之间的冷却水的横向交换。但是它们分别与相邻分区的局部横向流动交叉，因此不能统一成全局的流动图。通过绕一个交叉点设置的四个分区50a-d的镜像对称布局有效地抑制大面积的，亦即在燃料元件整个横截面上形成的横向流动。
在按图2的实施例中设有分区50a-d，它们分别由九个完整的栅格单元6构成。在这些分区50a-d内通过导流元件形成横向运动56，它们像在本实施例中所示的那样在相应的整个分区50a-d上沿对角线延伸。在每个分区50a-d上通过各个在它里面形成的横向流动仅仅作用一个力，而没有力矩，这里在燃料元件整个横截面上全局地看形成力的平衡。
在这个和接着的图3-5中导流元件没有明显画出，因为这些图仅仅用来原理性说明可能的流动图，并可以用多个设计方案实现对此适合的导流元件。
在本实施例中分区50a-d这样相互镜像对称地构成，使它们通过在一位于相应界面上的镜面相互反射产生。
此外在图3的示例中可以看到，不管是作用到四个相互邻接的分区50a-d上的总力矩还是作用在它们上面的力都相互平衡。
在按图3和4的实施例中通过导流元件在每个分区50a-d内产生相互成对反向作用的横向流动56，它们或者按图3的示例平行于栅格列，或者按图4类似于按图1的实施例对角线延伸。
图5表示一在每个分区50a-d中仅仅产生一个涡旋流56的状态，其旋转方向与在相邻分区50a-d内产生的涡旋流56的旋转方向相反。
在按图2-5的所有实施例中仅仅在子流道之间或位于一个分区50a-d内的不同子流道的分块之间进行冷却水的横向交换。
在按图6的实施例中设置一定位格架4e，它由第一和第二双壁的栅格隔板20a、b构成，它们通过在附图中示意表示的相应成型部具有第一和第二流道44a和b。第一流道44a倾斜于铅垂线，亦即倾斜于燃料元件轴线延伸。它们作为导流元件起作用，它们将垂直于铅垂线的速度分量作用于冷却水上，就像在由EP 0 237 064 A2(图17)所知的定位格架中的情况那样。第二栅格隔板26设有用交叉阴影线表示的第二流道44b，它们的中心线平行于铅垂线延伸。
在这个实施例中一个分区50a、b分别通过四个栅格单元6构成，其中第一流道44a分别设置在每个分区50a、b的边缘上。同样分区50a、b通过在一由这两个分区50a、b之间的界面确定的镜面上相互地镜像成形产生。倾斜延伸的第一流道44a在每个分区50a，b内产生一环流，但是它们相互方向相反地定向。在分区50a内所述环流顺时针延伸，而在分区50b内以逆时针延伸。在每个分区50a，b的中心设有偏转元件26，它们在中央子流道30内附加地产生一涡旋流，该涡旋流和外部的环绕流方向相反，因此在整个分区50a、b上分别产生的扭矩相应地减小，并确保燃料棒与中央子流道30相邻的区域良好地冷却。
通过分别在分区50a，b外围上产生的环流造成子流道30之间更好的混和，这些子流道位于相应分区的边缘上。但是这限制位于分区50a，b内的不同子流道30的分块之间的横向交换。在这个实施例中分区50a，b也按同样的镜像成形规定设计，如借助于图1至5说明的那样。
由按图7的实施例表示定位格架4f的一个分区50a，它不是包含4个而是9个栅格单元6。在这种情况下定位格架4f的栅格隔板20a，b也是双壁的，因此通过隔板上相应的成型部形成第一和第二流道44a、b，它们倾斜于或平行于铅垂线延伸，使得绕每个分区(图中仅仅表示其中一个)产生一外部环绕流动。在内部的交叉点上设置偏转元件26，它在位于内部的子流道30内产生一涡旋流，从而使得位于内部的燃料棒2和位于外部的燃料棒2的与它相邻的区域的更好冷却。
代替在按图6和7的实施例中分别设置在位于内部的交叉点上的翼片形偏转元件在按图8的定位格架4g中中心的栅格单元6也可以设有倾斜布置的第一冷却通道44a，它们绕中心燃料棒2产生一环流，该环流和在外部产生的环流方向相反。在这个实施例中第二栅格隔板20b既包含44a型(倾斜于铅垂线)也包含44b型(平行于铅垂线)的流道。
这种绕分区的环流也可以用单壁栅格隔板和在它上面成形的偏转元件26产生，如在图9中的定位格架4h中所示。为了即使在所有四个相互对接的分区内的角点上也造成各自反方向的转向，栅格隔板在交叉点处加长。这在图中象征性地通过具有较粗线厚的十字46表示。但是它不是隔板20壁厚的加大，而仅仅是局限在角点处的其隔板高度的加高。
在按图10的实施例中表示一定位格架4i的分区50a，其边界平行于栅格对角线延伸。定位格架4i由双壁的第一栅格隔板20a构成，它们分别设有倾斜于铅垂线分布的第一流道44a。相邻的分区按前面说明过的镜像成形原理构成，亦即分别相对于垂直于图纸平面同时构成各相邻分区界面的镜面镜像对称。在这个实施例中也和在按图6-9的实施例中一样在每个分区50a上通过在这种情况下产生的内、外环流仅仅造成一个力矩。
在上述这些例子中简化地从一个燃料元件出发，它可以从一个分区出发通过相应的镜像成形规则构成。但是这在实际的燃料元件中并不是可以毫无困难地实现，因为在紧密的结构中所要求的对燃料元件侧面边缘区域的以及设置在燃料元件内的结构管区域内的严格的对称性受到干扰。现在图11表示一种在燃料元件边缘区域处可能出现的状态。表示一在图9中已经说明过的定位格架4h的边缘区域。由图可见，借助于前面的图形说明过的镜像成形规则在严格的意义上不再能用在相邻分区上。分区50a到边缘隔板200为止不再能通过镜像成形延续。在这些边缘区域或在对对称形有妨碍的区域内确定另外的其大小和结构不同于其他分区的分区。在本实施例中在边缘处确定一由三个栅格单元6组成的分区500(在图中通过成弧形的括号x、y表示)，在这个分区内偏转元件26这样设置，使得在这个分区内产生一环绕流动。位于对面的边缘隔板上有一做得与它镜像对称的互补的分区，使得在分区500和配设于它的互补的分开分区内产生的力矩相互抵消，此外不会形成相对于燃料元件整个横截面的力矩。在这种情况下栅格隔板20在分区的角点上也加高(用加黑的圆圈表示)。
现在图12表示在一具有带18×18的栅格单元6的定位格架4j的燃料元件的状态，栅格单元中24个用交叉阴影线表示的栅格单元6被控制棒导管穿过(为了看得清楚起见控制棒导管和燃料棒未画出)。在这个实施例中定位格架4j分解成36个分开的分区50，它们分别包含9个栅格单元6。现在由图可见，分区50可以分成6个不同的级501至506，它们要不通过其在定位格架4j边缘上的位置，要不通过在其内部控制棒导管的布局/数量相互这样地区分，使得它们不能通过镜像成形相互转化。它们是4个在定位格架4j角部的501级分区、8个与它们相邻的502级分区，它们同样位于定位格架4j边缘上、8个在其角部配备控制棒导管的503级分区、8个位于内部的其中心栅格单元6配备控制棒导管的504级分区。4个505级分区在一位于对角线上相对的栅格单元6处被控制棒导管穿过，4个位于内部的506级分区没有被控制棒导管穿过。
现在四个位于内部的506级分区可以相互镜像对称地构成，如借助于图1至10所说明的那样，并通过字母a-d表示，其中分区506b由506a通过镜像成形形成，506c与506b镜像对称，506a和506d镜像对称。因此506a又和506d镜像对称。其余分区以同样方法相互镜像对称地构成。这样在定位格架4j的角部以相同方式相互镜像对称地构成四个501级分区，如图中同样由字母a-d所示。
字母a-d表示每一级501至506的一个类型。但是同一类型a-d的不同级501-506的分区在结构和设置在它内部的流动偏转元件的布局方面完全相同，亦即本征对称。
现在对于分区506a-d规定的结构原理对于整个定位格架4j保持不变，因此例如506级的b型分区和设置在它右面旁边的504级a型分区在其结构方面完全相当。这种结构原理在整个定位格架4j上延续，因此在这个实施例中不能形成全局的横向流动。此外确保，对于每一级501-506存在4或8个按前面所述的结构原理相互镜像对称构成的分区，使得相对于燃料元件的整个横截面所有力矩和力都消失。
在其行和列的数量都是质数的定位格架中必须按图11引入不同类型的大小不同的分区。
                图形标记表
2       燃料棒
4a      定位格架
6       栅格单元
8       列
10      行
12      控制棒导管
20      栅格隔板
20a、b  第一、第二双壁栅格隔板
22      凸销
24      弹簧
26      偏转元件
28      中心线
30      子流道
31      箭头
32      横向流动
40      箭头
42      成型部
44      子流道
46      十字
50、50a-d、500     分区
52、54  镜面
56      横向流动
200     边缘隔板
501-506 级别
a-d     类型
D       涡旋

Claims (6)

1.用于压水核反应堆的燃料元件，具有大量燃料棒(2)，所述燃料棒在多个轴向相互间隔距离的定位格架(4)中导引，定位格架由交叉的栅格隔板(20)构成，所述栅格隔板分别形成一具有大量栅格单元(6)的栅格，所述栅格单元成行(10)和列(8)设置，其中栅格隔板(20)具有导流元件(26，44a，44b)，所述导流元件将一平行于定位格架平面定向的横向流动分量作用于在燃料棒(2)之间各自在子流道(30)内轴向流动的冷却水，其特征为：至少一个定位格架(4)由许多分区(50a-d，500，501-506a-d)构成，所述分区分别大于一个栅格单元(6)，并且导流元件(26，44a，44b)这样地设计和分布在定位格架(4)内，使得在经过每个分区(50a-d，500，501-506a-d)的通流中产生一横向流动分布，它促使至少几乎只有在位于分区(50a-d，500)内部的子流道(30)之间进行冷却水交换。
2.按权利要求1的燃料元件，其中至少给多数分区(50a-d，500，501-506a-d)这样配设一分开的分区(50a-d，500，501-506a-d)，使得由于在分区(50a-d，500，501-506a-d)内和在配设于它的这个分开的分区(50a-d，500，501-506a-d)或配设于它的这些分开的分区(50a-d，500，501-506a-d)内的横向流动而分别形成的力和/或转矩至少近似地相互抵消。
3.按权利要求2的燃料元件，其中分区(50a-d，500，501-506a-d)和至少一个配设于它的分开的分区(50a-d，500，501-506a-d)相互镜像对称。
4.按权利要求3的燃料元件，其中镜像对称平面垂直于定位格架平面并平行于一个栅格隔板(20)延伸。
5.按权利要求2、3或4的燃料元件，其中相互配设的分区(50a-d，500，501-506a-d)相互邻接。
6.按上述权利要求之任一项的燃料元件，其中在一个分区(50a-d，500，501-506a-d)内的导流元件(26，44a，44b)设计成这样，使得在该分区(50a-d，500，501-506a-d)内产生的横向流动在它上面仅仅施加一个转矩。
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