CN85105433A

CN85105433A - 燃料组件

Info

Publication number: CN85105433A
Application number: CN198585105433A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·肯尼思·吉特森; 埃尔默·阿瑟·巴斯勒; 埃德加·安东尼·哈克斯泰恩; 罗伯特·拜伦·萨尔顿; 斯蒂芬·纳尔森托尔
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1984-07-02
Filing date: 1985-07-16
Publication date: 1987-01-14

Abstract

本发明涉及一种供具有能谱移动能力的压水核反应堆用的燃料组件。燃料组件装有一个封闭而与减速剂/冷却剂流分开的减速剂液体流系统 (14、22、23)，以便引入中子减速效率可变的减速液体(如D₂O或H₂O，或D₂O与H₂O的混合物)，以进行能谱移动控制而又不影响减速剂/冷却剂本身的组成。

Description

本发明一般涉及压水核反应堆，特别是涉及一种用液体减速剂系统来进行能谱移动控制的压水反应堆用的燃料组件。

在典型的压水核反应堆中，反应堆运转时，裂变过程的控制，或者反应的控制是通过改变在堆芯中中子吸收材料的量来完成的。实现反应控制的一种方法是使用控制棒的方法，控制棒包含中子吸收材料，或中子吸收体，并插入到堆芯中。改变控制棒的数目、控制棒的大小和/或者改变控制棒在堆芯中径向和轴向位置，便可控制裂变过程。另外，还利用由裂变过程产生的可燃性中子吸收体和溶解在反应堆冷却剂中的中子吸收体来控制反应。

为了延长堆芯寿命，在普通的商业性压水反应堆中，在反应开始工作时设计成使反应性过剩。剩余反应性由上述说明的方法进行控制，并在堆芯持久的运转中逐渐降低。在绝大多数情况下，应用了溶解在反应堆冷却剂中的可溶性硼来控制最初的剩余反应性。因为随着反应堆的运转在堆芯中剩余反应性降低，吸收中子的硼逐渐被除去，因此可以利用最初的剩余反应性来维持裂变过程。虽然这种控制方法在延长堆芯寿命方面是一种有效的控制方法，但是在堆芯运转时吸收中子的硼吸收了中子，并从堆芯中除去了能用于再生产的反应。例如，可能利用反应来将增殖性材料转换成钚或裂变轴，由于当时产生的这些裂变材料的裂变，进一步延长了反应堆芯的寿命。但是如果没有这样一种转换，反应性的消耗就是一种铀的无效损耗，和另外的方法比较，这种损耗导致较高的燃料成本。因此很希望采用维持初始过剩反应性的方法延长堆芯的寿命，不用中子吸收材料来抑制过剩反应性，而是以积极的方式利用过剩反应性，供此延长堆芯的寿命并显著降低总的燃料成本。

众所周知，在燃料运转初期利用“硬”中子能谱（较高中子能量谱）减少过剩反应性和增加增殖性材料变为裂变材料的转化。可以减少燃料元素的浓度，增加产生裂变物质的转化率。然后在燃料周期的后期，利用“软”中子能谱（低能中子谱）增加反应，使先前产生的裂变材料发生反应，从而延长堆芯寿命。上述的这种方法叫做能谱移动控制法，它使反应堆具有更长的堆芯寿命，减少了堆芯中中子吸收材料用量。在这种技术中，用重水代替部分普通反应堆水可以减少过剩反应性，因此也可以减少中子吸收材料。

重水和普通反应堆冷却水比较，它是一种低效减速剂。由于中子谱移向较高的能普，重水减慢了连锁反应，在中子吸收材料减少时使反应堆运转在全功率。这种向硬中子谱的移动致更多的增殖性U-238或Th-232相应转化成裂变的pu-239或u-233，它们随后在堆芯中被消耗产生热，进一步延长了堆芯寿命。因此最初向硬中子谱的移动导致了更多的中子以一种有用的形式被消耗掉，而不是由于应用中子吸附剂而被浪费掉。随着裂变材料被消耗，重水逐渐用产生一软中子谱的普通反应堆冷却水代替。由此堆芯反应保持在一正常水平，在堆芯运转的后期，基本上所有的重水都被普通的反应堆冷却水代替了。因此，反应堆可以用控制棒的方法进行控制并在开始阶段不用另外的中子吸收材料，这样便显著降低了燃料成本。而且，额外的pu-239或u-233的产生同样也减少了对u-235浓度的要求。

虽然在这一技术中能谱移动理论是众所周知的，但还需要一种既切实可行又行之有效的方法。

本发明的主要目的是满足这一需要，因此本发明在于一种供压水核反应堆用的具有能谱移动控制能力的燃料组件和排成阵列的燃料元件的轴向支撑和侧向支撑机构，在阵列中细长的燃料元件彼此平行分离，该燃料组件包含了许多细长的燃料元件，该支撑方法适合于在燃料组件运转时允许减速剂/冷却剂流过燃料组件，其特征在于在燃料组件内部装载有大量低中子吸收减速液体的液体减速控制机构，低中子吸收减速液体可以根据中子减速效果随意改变，该液体减速控制机构包括一减速液体流系统，该系统是密封的，与所说的减速剂/冷却剂分离。

本发明提供了一密封的，与普通的流过燃料件的减速剂/冷却剂分离的减速液体流系统，它能使能谱移动控制更容易，有效，并且以一种最有利的方式进行控制，可以达到密闭的液流系统允许重水（D₂O），轻水（H₂O）和浓度不同的，变化的D₂O/H₂O混合物被引入到燃料组件而不影响减速剂/冷却剂本身的组成。

在本发明的最好实施例中，减速液体流系统包括许多插在燃料组件中的减速剂控制管，和两个密闭连接减速控制管的复式接头，将减速控制管在入口和出口之间连通使能传送液流。

下面用例子，根据附图说明本发明的最好实施例;

图1是实施本发明的燃料组件的部分垂直截面图;

图2是沿图1的Ⅱ-Ⅱ线切开的横向剖面图，图中没有示出框格;

图3是上部管接头的顶板图，它是沿图1Ⅲ-Ⅲ线切开的截面图，但没有示出顶端的管接头弹簧;

图4是上部连接板图，它是沿图1的Ⅳ-Ⅳ线切开的横截面;

图5是上部复式接头平面图，是沿图1Ⅴ-Ⅴ线切开的横截面;

图6是下部复式接头图，是沿图1的Ⅵ-Ⅵ线切开的横截面;

图7是下部管接头的连接板图，是沿图1的Ⅵ-Ⅶ线切开的横截面;

图8是一横截面图，它示出了控制导管与顶部管接头的连接板的连接;

现在参照图1，在其中示出了核燃料组件并用数字10表示，它包括了许多相互平行的隔离的燃料元件11，燃料元件11用上部和下部因康镍合金框格12以及居间的许多锆合金框格13固定就位。框格12和13也用来分开和支撑若干（图中表示21根）减速控制管14和若干（图中表示4根）棒束控制（RCC）管，或导向导筒15。

上述元件的横截面图示于图2、图2中未示出框格12和13。每一个燃料元件11包括一个细长的装有燃料棒的园柱形金属管，在金属管两端用适当形状的端塞封闭。这种燃料组件在反应堆技术中是熟知的。如图2所示，燃料元件11基本上被排列成20×20的方阵，方阵中燃料元件11之间具有相同的间距。11a这一根管可以用作测试设备，减速控制管最好用锆合金制造，棒束控制管也最好用锆中金制造，每一根减速控制管14和每一根棒束控制管15占有四根燃料棒的空间，置换了四根燃料棒。因此燃料元件11总共有二百九十一根，控制管14和15排成5×5的方阵，相邻管之间具有相同的间距。为清楚起见，减速控制管14在图2中用圆圈表示，而每根棒束控制管15则用带×的圆圈表示。因为棒束控制管15也形成一方阵，所有它们适合于安放普通型的控制棒束。

在图1中可以看出，每一根减速控制管14包括一个细长的在其上固定有上端塞18和下端塞19的空心管17，固定的方法可采用焊结的方法。端塞18和19有供重水或普通水，或两种水的混合水流通的通管20和21。

燃料组件10还包括一个上部复式接头22和一个下部复式接头23，其平面图分别示于图5和图6。每一个复式接头22和23可能包含一个锆合金铸件，减速控制管14的下端塞19用螺纹连接到下部复式接头23，而其上的上部端塞18密封在上部复式接头22下侧的法兰盘24中。另外，每一根减速控制管的两端被焊接到相应的复式接头以保证压力密封。如图5，6所示，导向导管15延伸穿过上部和下部复式接头，而不是连接到它上面。

两个弹簧加压的密封连接器25和26被连接到下部复式结头23。使得密封连接器25提供一流过所有减速控制管14的重水或重水和普通水的混合水的入口，密封连接器26提供一根减速控制管14的出口，这根减速控制管是与燃料组件轴向准直的。如图6可见，封闭连接器25构成20个减速控制管的入口，这些减速控制管是通过在下部复式接头23上开的液体沟道27相互连通的，但不同密闭连接器26连通。液体沟通27可用枪孔钻床水平钻通肋筋28，然后在钻孔入口用电铆焊焊接封闭（图中未示出）而成，当然，在下部复式接头的下边，在密封连接器25和26的每一个轴向位置，垂直穿孔是需要的，在其余19个减速控制管的位置在下部复式接头的上表面钻盲孔是需要的。下部复式接头23安装在燃料组件10的下部管接头30的四边上开的槽口29里面，上部复式接头（图5）类似地也安装在燃料组件上部管接头32的四边上开的槽门31里面。因此，下部复式接头23、减速控制管14、燃料棒11、框格12和13和上部复式接头22构成了一个亚组件，它被夹在上下管接头30和32之间。另外，在亚组件和四个导向导管15之间还有结构上的连接，这一点将在后面详细叙述。

参照图5，上部复式接头22利用沟道36沟通了21根减速控制管之间的液体流通，沟道36也是用“枪孔钻”水平钻过肋筋37，然后在钻孔入口用电铆焊（图上未示出）焊结封闭形成的。在上部复式接头22的下部，在21根减速控制管14的每个轴向位置钻了一个垂直的盲孔。因为在下部复式接头23，上部复式接头22和减速控制管14之间提供了这种封闭的装配，所以重水，或重水和普通水的混合水可以通过密封连接器25引入，流过在下部复式接头上的液体沟道27，通过20根减速控制管往上流，流经液体沟道36，再通过剩下的一根同封闭连接器26相通的减速控制往下流，最后通过连接器26流出来。封闭连接器25和26适宜于装在核反应堆液体的入口和出口。

下面结构连接板34同下部管接头30构成一整体，而上部结构连接板35同上部管接头构成一整体;导向导管15结构上同连接板34和35连接。因此上部管接头32，导向导管15、上部复式接头22、减速控制管14，燃料棒11，框格12和13，下部复式接头23和下部管接头30一齐构成燃料组件10的结构。

每一根导向导管15包含一根细长的空心锆合金管，其上端是开口的，下端装有一连接端塞38，导管适合于装一根控制棒束的控制棒，并可在其中进行轴向移动。连接端塞38在其下端有一内螺纹盲孔，用于接受将导向导管15紧固到下部连接板34的螺钉41。连接板34示于图7中，它成横梁格架的形式，包含了四根两两相互成直角相交的主梁39，并在其上的交叉点上为螺钉41钻有夹持套40。为了防止导向导管在旋转螺钉41时发生转动，可以在每一个夹持套中加工出一槽42，它同连续端塞38上相应销相衔接。如同在反应堆技术中大家都知道的，采用一焊接的锁销（图中未示出），后螺钉41可以被锁焊到相应的夹持套40上。连接板34包括8个次要梁43，次要梁43会同下部复式接头23保证了一些燃料棒11的固定。而上部连接板35会同上部复式接头22保证了其余燃料棒11的固定，在这种方式中，所有的燃料棒11，不是从上面就是从下面进行固定。

导向导管15的上端点在结构上是连接到上部连接板35。更准确地说，参照详图8，加工的不锈钢套管44是从上部连接板35的下边固定在连接板的孔中。螺纹锁定环45是从连接板35上上部用柞扣同不锈钢套管44的上端部衔接，并锁焊在连接板35上以防止松动。钢套44上的锁键63同上部连接板35上的锁槽64和65衔接，这防止了在旋紧锁定环45时钢套管44的转动。钢套管44从连接板35往下伸，导向导管15的凸出部位与在钢套管44内径上加工的环槽46相衔接。钢套管44从连接板35向下伸，通过最上边的框格12并用铜焊或焊接固定在框格上，每根导向导管15有一插入钢套44的上端部，它同在钢套管内壁上加工的环槽46进行鼓凸衔接。

和下部连接板34一样，上部连接板35提供了燃料组件10的在另一端的主要结构支撑。如图4所示，它也被作成由四个主梁60构成的横梁格架形式，横梁60两两相垂直交叉点上钻有夹持套48，导向导管15便按照上述的同下部连接板34连接的方式固定到夹持套上;上部连接板35还包括四根外加工的主梁61和次梁49。这些梁补充了结构支撑，并且与上部复式接头22一起提供了燃料棒11的上部定位。主梁60和61承受了顶端管接头弹簧52的导柱51。每个导柱有一槽口，槽口从导柱下部伸到导柱里面，套在导柱下面相应的主梁60或61上，并焊接到梁上，弹簧52装在弹簧套筒53中，它同弹簧套筒和导柱51一起安装在顶部管接头32的周边上。弹簧套筒53固定在上部连接板35上，并伸向上面，穿过在上部管接头35的顶端板55上的孔54（图3）。在每一弹簧导筒53的上端部上的向内延伸的法兰盘17与装在钢套53外边一环形槽内的定位环56一起用顶端板55保证了钢套的固定。顶部管接头32有一由外壳58构成的侧壁，侧壁可以整个地连接到顶端板55和连接板55上，以便把这两个组件连接起来。外壳58也为从燃料组件10流出的反应堆冷却液体提供了一强制通风。如图3所示，外壳58的每一个拐角，如拐角59，都是凹的，形成 1/4 园柱腔，使得四个贴近的组件的邻接拐角一起构成一圆柱形，如开口61的开口，以便将若干个导柱或燃料组件的定位键中的一个（图中未示出）安装在核反应堆的上堆芯板上。

再参考图1，沿着燃料组件10隔开的并对燃料棒提供支撑的框格12和13，控制棒导向导管15和减速控制管14可以用普通设计，例如可用在美国专利3379614和ИO 3379619揭示的设计。因此每一个框格12和13是一种蛋筐形结构，它由许多金属条装配和焊接而成，以便作成许多小格，各个燃料棒，导向导管和减速控制管穿过这些小格延伸出去。采用弹簧和/或在框格金属条上加工的凹座从侧面支撑放在每一个框格小格中的燃料棒11，但是燃料棒纵向可自动运动。另一方面，控制棒导向导管15或者是直接固定在框格上，或者最好是通过金属套筒，如图1中所示的套筒47，间接固定在框上，套筒被固定在，即用电焊或铜焊焊在框格的金属条上，并且套筒本身又牢固地连接在穿过套筒延伸出去的导向导管，例如用前面已知的鼓凸连接。最好在减速控制管14穿过延伸出去的框格的小格上也提供这样的套筒47（见图2），这些金属筒同样也用电焊或铜焊固定在框格上的构成有关小格的金属条上，然而，穿过套筒47延伸出去的减速控制管14却没有被固定连接或安装上，而仅仅是受到侧面支撑。

在运转时，通过底部管接头80引入的并从顶部管接头流出的作为减速剂和冷却剂的轻水（HO），如在反应堆技术中众所周知，流过了燃料组件。减速控制管14和上部与下部液体复式接头22、23一起构成了一个减速液体流动系统，它是封闭的，与通过燃料的减速/冷却液体是分开的，如开头所说一样，这个系统可使能谱移动控制容易进行，并且以最有利的方式进行。

Claims

1、一种供具有能谱移动控制能力的压水式反应堆用的燃料组件，该燃料组件包含许多细长的燃料元件，和提供排在一阵列中的相互平行而分开的细长的燃料元件的轴向支撑和侧向支撑机构，该机构适合于在反应堆运转时使减速剂/冷却剂流过燃料组件，其特征在于：液体减速控制机构，这种机构在燃料组件内部提供了大量低中子吸附的减速剂液体，这种减速剂液体可以根据其中子减速效果随意改变，该液体减速控制机构包括了一个密封的，同上述减速剂/冷却剂隔离的减速剂液体流系统(14、22、23)。

2、一种按权利要求1所述的燃料组件，其特征在于：上述减速液体流系统（14、22、23）包括许多插在燃料元件（11）中的减速剂控制管（14）。

3、一种按权利要求2所述的燃料组件，其特征在于：该减速液体流系统（14、22、23）有一入口（25）和一出口（26），并包括两个液体复式接头（22、23），它们马上与减速控制管密封连接，在该入口和出口之间沟通了减速剂控制管的液体传输。

4、一种按权利要求3所述的燃料组件，其特征在于：至少有一根减速剂控制管（14）有一端连接到上述出口（26），而其余的每一根减速控制管（14）有一端通过复式接头（22、23）中的一个（23）连接到上述入口（25），而其另一端通过另一个液体复式接头（22）至少连接到一根减速剂控制管的另一端。

5、一种按权利要求3、4所述的燃料组件，其特征在于：液体复式接头（22、23）中的一个（23）在其上加工出了上述的入口（25）和出口（26）。

6、一种按权利要求3、4、5所述的燃料组件，它包括一对装在燃料组件两端的液体管接头，并能使所说的减速剂/冷却剂相应流入和流出燃料组件，其特征在于，该管接头（30、32）有使相应的液体复式接头（22、23）安装在上面的切口（29、31）。

7、一种按权利要求6所述的燃料组件，其特征在于：每一个上述液体管接头（30或32）具有构成外壳（58）的侧壁），侧壁的横截面基本上是一个矩形，并且横截面外形与所说的燃料组件（11）的阵列是匹配的，上述每一个液体管接头的外壳（58）有一凹面拐角（59），形成一个四分之一园柱体腔。

8、一种按权利要求3至7中任何一项要求的燃料组件，它包括一些伸到平行而又分离安装的细长燃料元件中的导向导管，其特征在于：结核燃料元件提供轴向支撑的机构包括一对装在导向导管（15）两端并固定在上面的支撑板（34、35），每一根导向导管（15）用螺栓紧固在一块支撑板（34）上，用一钢套管（44）连接到另一支撑板（35）上，钢套管采用可脱扣装置固定在所说的另一支撑板上，而且导向导管的一个端部插入到这个钢套管（44），采用鼓凸连接的方法与钢套管连接。

9、一种按权利要求2至8中任何一项要求的燃料组件，其中侧向支撑燃料元件的机构至少包括一个蛋筐形结构的框格，这个框格形成了许多可使燃料元件穿过的空格，其特征在于：该框格或者每一个框格（12、13）有许多空格，每个空格装有固定在框格上的共轴套管（47），每一根上述减速剂控制管（14）穿过一个空格和相应的套管（47），并受到套管的侧面支撑。