CN85105215A - 流体减速剂控制系统燃料组件的密封连接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密封连接器，它用于谱移加压水核反应堆中，密封地连接堆芯支板中的流动通道及燃料组件中的流动通道。这种密封连接器用于在反应堆运行的前期，将氧化氘引入燃料组件，而在反应堆运行的后期，又将轻水重新引入燃烧器组件，在整个过程中其提供密封不漏的流动通道。

Description

本发明一般涉及谱移加压水核反应堆（谱移压水堆）领域，特别涉及燃料组件及谱移控制机构之间的密封连接。

谈及这一技术，通常的轻水压水堆中，堆芯设计成具有过剩反应性。反应堆运转时，过剩反应性非常缓慢地消耗着，直到堆芯不能继续维持核反应，而必须重新填加新的燃料为止。通常这要过几年的时间，尽可能地延长反应堆重新添加燃料的时间（即延长堆芯寿命）是非常有益的，这是由于，填加燃料需完全停掉反应堆，浪费很长时间。通常采取使堆芯具有足够大的过剩反应性的办法，来延长堆芯的寿命。

一般来说，控制整个裂变过程，或说反应性控制，其中包括过剩反应性控制，是通过改变反应堆芯里的中子吸收剂的多少来完成的，使用包含中子吸收剂的，并且可放入和移出堆芯的控制棒，是一种控制反应性的手段，另一种手段是采用溶于反应堆冷却液中的可燃及不可燃的抑制剂。当着由于反应堆的不断运转而使反应性降低时，或者通过反应堆运转逐渐烧掉抑制剂，或者通过为此专门设计的分离系统，用物理方法去掉抑制剂。更常用的方法是将溶解的抑制剂和控制棒结合使用，来控制反应堆，以及控制过剩反应性。

然而，用控制棒和抑制剂所吸收的中子本来可以用更有效的方式加以以利用。例如，由于过剩反应性产生的中子可能被用来将燃料组件里的可转换材料转变为钚或裂变轴，而它们还可进一步裂变，从而进一步延长了堆芯的寿命。可见，使用控制棒和溶解的抑制剂可提供高效的反应堆控制，但它低效地消耗了高价铀。因而，应该说它有助于控制过剩反应性，但是它没有结合过剩反应性去抑制中子吸收，以便进一步延长堆芯寿命或重新填加燃料的期限，从而降低燃烧费用。

我们知道，在燃料使用周期的前一阶段，通过应用“硬化”（核能）谱，减少过剩反应性，增强可转换材料向裂变材料的转变，从而降低燃料元件的浓缩度，增高产生裂变材料的转换率;之后，在燃料使用周期的后一阶段，通过应用“软”（低能）中子谱，增加反应性，并且通过使前一阶段产生的裂变材料进一步的裂变延长堆芯寿命，应用上述原理的方法称之为谱移控制，它延长了堆芯寿命，而又减少了堆芯的中子吸收材料。机械谱移反应堆就是这种控制方法的一个例子，其中，通过一个中空的置换棒插入堆芯中的燃料组件，（当然，它要在燃料组件中置换掉等体积的水）并且这些棒可以用机械方法提出或者穿孔，以便使水充满所有的容积。在堆芯寿命的早期，通过用置换棒排除掉一部分堆芯中的水，来使中子能谱变硬。之后，通过将上述置换棒提出或者穿孔，从而在堆芯中又加入一部分水，使中子的能谱变软。

实现谱移变换的另外一种方法是：在堆芯寿命的早期，用重水，或称氧化氘去转换等体积的堆芯水，之后，在堆芯寿命的后期，逐步减少重水的体积，并以一般的反应堆冷却液（轻水）去替代它。这一低效的减速剂重水，用于降低燃料的浓缩度，提高可转换材料转变成裂变材料的比例，从而可以降低燃料成本，延长堆芯寿命。而这就需要在燃料组件和堆芯下支板之间安装一个密封连接器，以便当引入重水替代轻水减速剂，之后，又引入轻水减速剂的过程中完成燃料组件及堆芯支板之间的密封连接。对于压水堆来说，使用这样的密封连接器是一个新事物。这一密封连接器必须提供密封以防止反应性的突然增加。并且，由于给堆芯填加燃料期间，燃料组件底部不能接近，所以，必须提供非固定的或非永久式的密封连接。

因此，本发明的主要目的是提供一种密封连接器，它将泄漏的可能性减至最小，从而防止反应性的意外增加。

本发明的另一目的是提供一种密封连接器，它与燃料组件结合成一体，以便实现燃料组件在堆芯中的自动连接定位。

本发明还有一个目的就是提供一种密封连接器，它便于修理及转换，从而可避免由于密封连接器的损坏而使整个的燃料组件报废。

考虑到这一目的，本发明的密封连接器适用于谱移压水堆，这种堆的燃料组件中有一个或多个流动通道，在堆芯支板上有一个或多个流动通道，其特征是，具有流动通道的拉长部件安装在所述的燃料组件和堆芯支板之间，该拉长部件具有第一、第二端部为管状之构件，它们互相间隔，轴向准直，并且由波纹状构件相互密封地连接，并且，该拉长部位具相对的两端，用以和所述燃料组件及堆芯支板密封接合。

通过举例的方法，由下面示在附图中的优先实施例的说明，本发明将更加清楚明白。其中：

图1为应用流体减速剂控制系统的压水堆的堆芯局部剖面图，它示出密封连接器的总体应用;

图2为根据本发明制造的密封连接器的一个实施例的详细剖视图;

图3为根据本发明制造的密封连接器的另一个实施例的详细剖视图。

参见图1，它画出堆芯的一部分以及反应堆的下部结构，燃料组件总体以标号（10）表示，它有多个燃料棒（11），一个上部出口流动嘴（12），一个下部入口流动嘴（13）。燃料棒（11）由本技术领域中所熟知的因康镍框格（图中没有示出）相互平行、而又相互间隔地安装。多个减速剂控制管（14）散布在燃料棒（11）之间。上述因康镍框格（图中没有示出）也用于支撑连接减速剂控制管（14）。上部出口流动嘴（12）采用例如焊接等方法，而与减速剂控制管（14）的上端（15）固定连接在一起。位于上部出口流动嘴（12）内的一个集合管（16），其流道与减速剂控制管（14）的上端（15）相连通。同样，下部入口流动嘴（13）与减速剂控制管（14）的下端（17）密封焊接在一起。一个下集合管（18）的流道与减速剂控制管（14）的所有下端（17），而不只是一个下端，相连通。

如上所述，燃料组件（10）是用在轻水压水堆中的一种型式，它利用谱移原理，通过改变燃料组件中的氧化氘或重水的多少，来改变堆芯中轻水减速剂的数量。氧化氘通过下堆芯支板（20）中的流道（19），穿越入口密封连接器（21），到达下流动嘴的集合管（18）。之后，氧化分布到减速剂控制管（14）之中，向上升到上流动嘴的集合管（16），从而将轻水置换掉。氧化氘随后向下流入返流减速剂管（22），之后流过出口密封连接器（23），流向堆芯下支板中的出口流通道（24）。

然而，值得注意的是，当减速剂控制管（14）和（22）中的氧化氘达到要求的数量时，氧化氘的流量就被减少到某一程度，以供补偿重水的内泄漏;以及更重要的是，提供一个受控连续流动，以便带走幅射能量，使重水的温度维持在沸点之下。因此，每一密封连接器（21）及（23）承受大体相同的内压。另外，由于每一密封连接器（21）及（23）处在相同的轴向芯位上，所以它们在相同的轴向芯位承受相同的外压力。因而，入口密封连接器（21）实际上与出口密封连接器（23）处于相同的工作条件，通过将氧化氘的内压调节到与燃料组件（10）的入口处的冷却减速剂的内压相等，这样在密封连接器（21）及（23）的内部和外部之间，基本上不存在压差。由于密封连接器（21）和（23）基本上处于相同的工作条件下，所以每一连接器可作得完全相同，并可互换。

关于密封连接器（21）或（23）的详细结构假于图2。尽管密封连接器内，外压力差接近于0，但它们还是被作成密封形式，以防在极偶然情况下存在正的或负的压力差。泄漏密封连接器遇到正压差将意外地又向燃料组件（10）内引入减速剂，从而引起一个意外的更大减速，显然，这一情况是我们所不希望的。另一方面，泄漏的密封连接器遇到负压差将引起减速剂的意外的减少，这也不是我们所希望的。

密封连接器（21）或（23）总的来说包括：一个固定的上构件（30），它被连接到燃料组件（10）的入口端，一个活动的下构件（31），它插入到插接套（32）之中从而也插入到下堆芯支板（20）之中;一个波纹管（33），它连接上构件（30）和下构件（31）;以及一个套筒（34），它与上构件（30）相连，并且环绕着波纹管（33）。流道（35）和（36）分别位于上构件（30）及下构件（31）之中，该流道（35）及（36）是为了向燃料组件（10）引入氧化氘或任何其它相对于轻水为低效中子减速流体（液体或气体）;或者，向所述燃料组件（10）再次引入轻水堆冷却剂。

当燃料组件起始时往堆芯中安放时，在燃料慢慢消耗运转时，或在堆芯重新填加燃料时，由于燃料组件（10）的减速剂入口处或燃料组件（10）的底部不可接近，所以，燃料组件（10）和下堆芯支板（20）之间采用固定式或永久的机械连接是不切实际的。所以，密封连接器（21）或（23）可以仅仅在其一端，与下流动嘴（13），或下堆芯支板（20）二者之一连成一体，或永久性地固定在一起。在图2所示的实施例中，密封连接件（21）或（23）的固定上构件（30）与流动嘴（13）连成一体，而活动的下构件（31）构成滑动配合，它对着堆芯下支板（20）并在其中承受弹性负载，燃料组件压具的弹性力，燃料组件的重量，以及下文将要论及的波纹管弹性力，共同对下构件（31）发生作用。下构件（31）和堆芯支板（20）之间的密封配合依靠将燃料组件（10）放置进入反应堆芯来完成;燃料组件（10）移开时，密封断开。值得注意的是，将密封连接器（21）或（23）在下堆芯支板（20）处作成整体的连接，而在流动嘴（13）处作成滑动配合，也将同样满意，并且这一替代方案将包括在我们在此说明的发明范围之内。

仍参见图2，固定的上构件（30）可通过夹持器或叫柱形伸长件（38）中的轧制凸起接合面（37）来连接，夹持器（38）是流动嘴（13）整体的一部分。由于存在数个轧制凸起接合面（37），所以在上构件（30）和夹持器（38）之间得到了大体密封接合。在这一一接合型式中，固定件（30）的细柱面部分（39）被轧制进夹持器（38）内表面的沟槽（40）之中。另一种同样令人满意的、可靠的机械连接可以采用“胀接”（Swage-lok）方式或者其它相似连接类型的管道连接，还有另一种型式的密封连接，是采用螺纹形式将上构件（30）拧入夹持器（38），并且绕周围焊接密封。当然，所述材料要要能被焊接。

完成密封连接器（21）或（23）的活动件（31）和下堆芯支板（20）之间的密封的一种方法是，采用球一锥形密封（50）及数个“活塞环”（51）插接套（32）插入在下堆芯支板（20）的开口（53）之内，并在（54）处施以焊接。

完成密封连接器（21）或（23）的活动件（31）和下堆芯支板（20）之间的密封的一种方法是，采用球-锥形密封（50）及数个“活塞环”（51）。插接套（32）插入在下堆芯支板（20）的开口（53）之内，并在（54）处施以焊接。焊缝（54）形成机械密封连接，以满足如下流动密封的需要：开口（53）须与堆芯支板（20）中的流道（19）或（24）其中之一相连通，而后又与密封连接器（21）或（23）的流道（35）、（36）相连通。

球-锥形密封应用了本技术领域中为人熟知的原理。插接套（32）的上端有一截锥面（56）。该锥面可以直接在插接套（32）上加工出来，或者，也可以作成一个锥形套（57），该套的材料明显地要比构成密封连接器（21）或（23）的下构件（31）的材料硬，套（57）焊接到下构件（32）上，之后通过机械加工以便最后达到所要求的尺寸形状。尽管这样作稍微复杂一些，然而加了锥形套的好处是，它防止了由于插接套（32）的破坏而整个地极废掉下堆芯支板（20）这种可能性。

密封连接器（21）或（23）的活动件（31）包含一个机加工的截球面（58），它与截锥面（56）形成一对密封件，一个柱塞（59）由活动件（31）延伸出来，并且它具有多个活塞环密封（51），而活塞环（51）与沿圆周方向加工出的凹槽（60）形成配合。环（51）采用本技术领域中人们熟知的结构：当主要的球-锥面密封（50）遭到破坏，或在其他不能正确运行情况下，环（51）起到后备密封作用，以防止减速剂控制管（14）的向内和向外的泄漏。

一个波纹管（33）密封地连接密封连接器的下构件（31）和上构件（30），波纹管（33）由金属材料作成，并且在（52）处焊接到上构件（30）的柱形伸展部（61）上，在（55）处焊接到下构件（31）的柱形伸展部（62）上。密封连接器的上构件（30）和下构件（31）之间形成间隙（63）。间隙（63）适用于上构件（30）及下构件（31）之间的相对运动，而这一相对运动是考虑到当将燃料组件（10）要放入反应堆芯，并要保证球面（58）在锥面（56）之中的可靠的密封，而要施加到燃料组件（10）上一个压紧负载。如图所示，波纹管（33）构成一个弹簧，它将它的压缩力，即施加到燃料组件（10）上的压缩弹性力及燃料组件（10）的重量，传递到密封连接器（21）或（23）的下构件（31）上。金属的波纹管（33）和间隙（63）是为了适应于即使当稍微偏离密封连接器（21）或（23）的垂直的轴向中心线时，也可以保证正确无误的密封。

套筒（34）用于保护波纹管（33），并且作为一个附加的制动器，以限制活动的下构件（31）相对于上构件（30）之间的压缩运动距离。套管（34）具有一柱形管（64），它在（65）处焊接到固定的上构件（30）的长柱形件（66）上，套筒（34）从所述的焊缝（65）处向下延伸，罩住波纹管（33），并且止于端部（67），该端部（67）由（68）处一个预定的量与插接套（32）相间隔。活动件（31）和套筒（34）的相应的重叠法兰盘（69）和（70），用以当密封连接器（21）或（23）没有在流动嘴（13）和下堆芯支板（20）之间配合好时，限制间隙（63）的扩展。

如上所述，密封连接器（21）或（23）构成了燃料组件（10）的机械延伸连接。当密封连接器（21）或（23）损坏了时，可以把它从燃料组件（10）上卸下并代之以新的密封连接器。当然，置换时燃料组件（10）没有安装在反应堆芯中。

当装有密封连接器（21）和（23）的燃料组件（10）安装时，使用常规的程序和防护措施。当将燃料组件（10）连接到堆芯支板（20）上时，使用导销（图中未示出）来引导它们的安装，这在本技术领域中为人熟知。以这种方式，燃料组件（10）事先准备好在密封连接器（21）和（23）与插接套（32）之间的正确的对准，以保证安装过程中不会损坏密封连接器（21）和（23）。柱（59）还具有锥形入口端（71），这是考虑到万一燃料组件与堆芯支板（20）没完全对准时而用的。如果柱塞（59）相对于插接套中的开口有一小的偏离，锥头（71）还考虑到这种情况可加以补偿。如前所述由波纹管（33）允许的横向运动，可保证沿柱塞（59）全长上的密封。当柱塞（59）基本上在开口（72）中配合好之后，球面（58）和锥面（56）也接触好。

由于波纹管（33）在密封连接器（21）和（23）的上构件（30）和下构件（31）上施加一个扩张力，球形密封面和锥形密封面首先接触，间隙（63）比法兰盘（69）和（70）之间的间隙（73）要大。通常在压水堆中应用的作用在燃料组件（10）的出口端上的弹性力（图中没有示出），加上燃料组件（10）的重量，压到波纹管（33）上，之后加载到球面（58）和锥面（56）上。一旦完成了安装，核反应堆启动运行时，堆芯支板（20）中的流道与密封连接器（21）和（23）中的校准的流道（35）和（36）相连通，从而使得流体可以流入及流出减速剂控制管（14）和（15）。

另一种密封连接器实施例（80）示于图3，这一实施例与图2所示实施例的主要区别在于，它在密封连接器的固定构件（82）及活动构件（83）之间具有一个或多个密封环（81），在波纹管（84）万一损坏时，密封环（81）提供一个后备的密封，密封环（81）装配在固定构件（82）的头部（85）里的凹槽中;头部（85）装配在活动构件（83）的一个延伸部分（86）之中，该部分具有一开口（87），它与头部（85）重叠配合在一起。

图3还示出另一种将固定构件（82）连到下部流动嘴（13）上的方法，一个流动连接器（88）插入下部流动嘴（13）的开口（89）中，根据密封连接器（80）构成为入口连接器或是出口连接器，开口（89）分别与下部流动嘴集合管（18）或者和减速剂控制管（22）（见图1）相连通。流动连接器（88）在（90）处焊到下部流动嘴（13）上。流动连接器（88）的一个延伸部分（91）装配在密封连接器（80）的固定构件（82）的上端部（92）之内。如图所示，通过几个轧制接合面（93），固定构件（82）和流动连接器（88）形成整体的密封连接。如前所述，这一连接也可由“胀接”（Swage-lok）连接型式所构成。

当我们用某些特定条件，或特定的实施例、改进型说明、公布并且以图示叙述完本发明时，实际上，我们并不认为本说明的范围仅限于此，当其它的改进型或实施例可能是由本发明得到了启发、暗示时，特别是当它们包括在我们所提的权利要求范围之内时，这些改进型及实施例被特别地保留在本发明的范围之内。

Claims (8)

1、一种适用于谱移加压水核反应堆的密封连接器，其中，核反应堆的燃料组件(10)具有一个或多个流道；反应堆芯支板(20)具有一个或多个流道(19)、(24)；该密封连接器的特征是：一个纵长形构件(34)，具有一个贯穿其间的流道；该构件位于所述燃料组件(10)和所述堆芯支板(20)之间；所述纵长形构件具有第一及第二端部为管状的构件(61，63)，它们互相间隔开并且轴向对直，通过波纹状构件(33)，它们相互密封连接在一起；该纵长形构件具有相对的端部，分别用于和所述燃料组件(10)及所述堆芯支板(20)密封啮合。

2、根据权利要求1，一种密封连接器，其特征在于，所述第一构件通过永久式机械接合，连到所述燃料组件（10）的一个或几个流道上。

3、根据权利要求1或2，一种密封连接器，其特征在于，所述第二构件通过一个球面及锥面接合，与所述堆芯支板（20）的一个或几个流道相连接。

4、根据权利要求3，一种密封连接器，其特征在于，所述球面锥面接合包括，在所述第二构件上构成有截球面，在所述堆芯支板（20）上构成有截锥面（56）。

5、根据权利要求4，一种密封连接器，其特征在于，它具有一个插接套（32），与所述堆芯支板（20）以固定形式连在一起，所述插接套具有所述的截锥面（56）。

6、根据权利要求5，一种密封连接器，其特征在于，所述截锥面（56）位于截锥件（57）上，截锥件（57）以固定方式连在所述插接套（32）上，截锥件（57）的锥面（56）比所述截球面硬度高。

7、根据权利要求6，一种密封连接器，其特征在于，所述波纹管构成为弹性机构，用以对所述球-锥接合面施加压力负荷。

8、根据权利要求1，一种密封连接器，其特征在于，一个圆筒形罩（64）装在所述波纹管外围，以保护该波纹管。

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